JP5180485B2 - Method for manufacturing fuel cell separator, fuel cell separator and fuel cell - Google Patents

Method for manufacturing fuel cell separator, fuel cell separator and fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、例えば、携帯電話やパソコンなどの携帯機器、家庭用燃料電池、燃料電池自動車などに用いられる固体高分子型燃料電池用のTiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関する。   The present invention relates to a method for producing a separator for a fuel cell made of Ti or Ti alloy for a polymer electrolyte fuel cell used for portable devices such as mobile phones and personal computers, household fuel cells, fuel cell vehicles, etc. The present invention relates to a battery separator and a fuel cell.

近年、燃料電池は、地球環境問題やエネルギ問題を解決するエネルギ源として期待されている。
特に、固体高分子型燃料電池は、低い温度で動作可能であることや小型化・軽量化が可能であることから、家庭用コジェネレーションシステムや携帯機器用の電源、燃料電池自動車への適用が検討されている。
In recent years, fuel cells are expected as an energy source for solving global environmental problems and energy problems.
In particular, polymer electrolyte fuel cells can be operated at low temperatures, and can be reduced in size and weight, so they can be applied to household cogeneration systems, power supplies for portable devices, and fuel cell vehicles. It is being considered.

ここで、一般的な固体高分子型燃料電池は、電解質である固体高分子膜の両側にアノードおよびカソードの役割を果たす触媒層、その外側にガス拡散層があり、さらにその外側に燃料ガス流路が形成されたセパレータが設けられた構造となっている。   Here, a general polymer electrolyte fuel cell has a catalyst layer serving as an anode and a cathode on both sides of a solid polymer membrane that is an electrolyte, a gas diffusion layer on the outer side, and a fuel gas flow on the outer side. The separator is provided with a path.

このセパレータは、ガスの流路の役割だけでなく、電流を取り出す役割も果たすため、導電性が高いことが要求される。従来は、カーボン製のセパレータが用いられていたが、強度の関係から、厚さ寸法を大きくしなければならないため、小型・軽量化を図る観点から好ましいとは言いがたい状況であった。   This separator is required not only to function as a gas flow path but also to take out a current, and therefore has high conductivity. Conventionally, carbon separators have been used. However, because the thickness dimension has to be increased due to strength, it is difficult to say that it is preferable from the viewpoint of reducing the size and weight.

セパレータは、小型・軽量化を図るため、薄肉化が可能な金属で形成されることが検討されている。しかし、燃料電池(固体高分子型燃料電池)の内部は酸性雰囲気であるため、金属にとっては腐食されやすい環境下であるといえる。そのため、燃料電池に用いられる金属製のセパレータには、耐食性と導電性が良好である必要がある。   In order to reduce the size and weight of the separator, it is considered that the separator is formed of a metal that can be thinned. However, since the inside of the fuel cell (solid polymer fuel cell) is in an acidic atmosphere, it can be said that the environment is easily corroded by metals. Therefore, a metal separator used in a fuel cell needs to have good corrosion resistance and conductivity.

また、ステンレス鋼やTiなどの金属は、表面に不動態皮膜を形成することによって良好な耐食性を得ているが、この不動態皮膜がガス拡散層との接触抵抗を高くするため、導電性を阻害し、燃料電池の発電効率を劣化させることが知られている。   Also, metals such as stainless steel and Ti have good corrosion resistance by forming a passive film on the surface, but this passive film increases the contact resistance with the gas diffusion layer, so that the conductivity is improved. It is known to inhibit the power generation efficiency of the fuel cell.

一方、鉄などの不動態皮膜を形成しない金属は、導電性が良好であるものの、腐食して溶出しやすく、溶出したイオンが触媒特性を劣化させたり、固体高分子膜のイオン伝導性を低下させたりするため、結果的に燃料電池の発電特性を劣化させることが知られている。   On the other hand, metals that do not form a passive film such as iron have good conductivity but are easily corroded and eluted, and the eluted ions deteriorate the catalytic properties and reduce the ionic conductivity of the solid polymer membrane. Therefore, it is known that the power generation characteristics of the fuel cell are deteriorated as a result.

このため、金属製のセパレータの表面に金をめっきしたもの(例えば、特許文献1参照)や、ステンレス鋼やTiのセパレータの表面に貴金属または貴金属の合金をイオン蒸着やめっきにより付着させたもの(例えば、特許文献2参照)、耐食性金属材料のセパレータの表面に貴金属層を形成したもの(例えば、特許文献3参照)が提案されている。
これらの発明は、表面に不動態皮膜を形成せず、かつ耐食性が高い貴金属を金属表面に形成することにより、高耐食性と低い接触抵抗を維持しようとするものである。
特開平10−228914号公報 特開2001−6713号公報 特開2004−158437号公報
For this reason, the surface of a metal separator is plated with gold (for example, see Patent Document 1), or the surface of a stainless steel or Ti separator is adhered to a surface of a noble metal or a noble metal alloy by ion deposition or plating ( For example, refer to Patent Document 2), and a structure in which a noble metal layer is formed on the surface of a separator made of a corrosion-resistant metal material (for example, refer to Patent Document 3) has been proposed.
These inventions attempt to maintain high corrosion resistance and low contact resistance by forming a noble metal having high corrosion resistance on a metal surface without forming a passive film on the surface.
JP-A-10-228914 JP 2001-6713 A JP 2004-158437 A

しかしながら、特許文献1に記載された発明は、表面の不動態皮膜を除去しないと金の密着性が悪くなるだけでなく、この不動態皮膜によって接触抵抗が高くなってしまう(すなわち、導電性が低くなる)。そのため、表面活性化工程を行うことで不動態皮膜を除去しているが、めっき工程の前に行う洗浄工程で不動態皮膜が形成されるため、十分な密着性を得ることができないという欠点や接触抵抗を低くすることができないという欠点がある。   However, the invention described in Patent Document 1 not only deteriorates the adhesion of gold unless the surface passive film is removed, but also increases the contact resistance due to this passive film (that is, the conductivity is low). Lower). Therefore, the passive film is removed by performing the surface activation process, but since the passive film is formed in the cleaning process performed before the plating process, there is a drawback that sufficient adhesion cannot be obtained. There is a disadvantage that the contact resistance cannot be lowered.

また、特許文献2に記載された発明は、ステンレス鋼やTiの表面を機械的に研磨しながら貴金属であるPtを腐食反応により析出させる処理を行っている。かかる処理を行うと、不動態皮膜が除去された部分にPtが析出するため接触抵抗は低下する(すなわち、導電性が高くなる)ものの、ピンホール(基板が部分的に表面に表れた箇所をいう)が形成されるなど、緻密な貴金属層が形成されないために、燃料電池のような酸性雰囲気での使用によって当該ピンホールからステンレス鋼やTiが溶出し、燃料電池の発電特性が劣化するという欠点がある。また、貴金属をめっきしたガラスビーズでブラスト処理する方法も提示されているが、セパレータは高い寸法精度が要求されるため、ブラスト処理によって発生し得る変形で使用することが困難になるという欠点がある。   Moreover, the invention described in Patent Document 2 performs a process of precipitating Pt as a noble metal by a corrosion reaction while mechanically polishing the surface of stainless steel or Ti. When such a treatment is performed, Pt is deposited on the portion where the passive film has been removed, so that the contact resistance decreases (that is, the conductivity increases), but the pinhole (where the substrate partially appears on the surface) In other words, stainless steel and Ti are eluted from the pinhole when used in an acidic atmosphere such as a fuel cell, and the power generation characteristics of the fuel cell deteriorate. There are drawbacks. In addition, although a method of blasting with glass beads plated with precious metal has been proposed, since the separator is required to have high dimensional accuracy, there is a drawback that it becomes difficult to use due to deformation that can occur by blasting. .

特許文献3に記載された発明も、貴金属層をめっきで形成しているので、不動態皮膜上に貴金属層が形成されていると考えられる。そのため、十分な密着性を得ることができないという欠点や接触抵抗を低くすることができないという欠点がある。   In the invention described in Patent Document 3, since the noble metal layer is formed by plating, it is considered that the noble metal layer is formed on the passive film. For this reason, there are drawbacks that sufficient adhesion cannot be obtained and contact resistance cannot be lowered.

なお、めっき以外にも、スパッタリング法や真空蒸着法、イオンプレーティング法などの気相成膜法によって、ステンレス鋼やTiの基板上に貴金属膜を形成して高い耐食性を備えさせる方法がある。
このような方法においては、貴金属層の密着性を上げるために、貴金属層を形成する前に低ガス圧のアルゴンガス雰囲気下で、基板にアルゴンイオンビームを照射したり、基板に負のバイアスを印加することによりアルゴンプラズマを発生させてアルゴンイオンを基板に衝突させたりすることによって、基板の表面の汚れや不動態皮膜などを除去した後に貴金属層を形成するのが一般的である。この方法によれば、不動態皮膜が除去されるため、十分低い接触抵抗を得ることができる。しかしながら、このような方法で不動態皮膜を除去するには時間がかかるため、生産性が低下するという欠点がある。
In addition to plating, there is a method of providing a high corrosion resistance by forming a noble metal film on a stainless steel or Ti substrate by a vapor deposition method such as sputtering, vacuum deposition, or ion plating.
In such a method, in order to improve the adhesion of the noble metal layer, the substrate is irradiated with an argon ion beam in a low gas pressure argon gas atmosphere before the noble metal layer is formed, or a negative bias is applied to the substrate. It is common to form a noble metal layer after removing dirt, a passive film, etc. on the surface of the substrate by generating argon plasma by applying it and causing argon ions to collide with the substrate. According to this method, since the passive film is removed, a sufficiently low contact resistance can be obtained. However, since it takes time to remove the passive film by such a method, there is a disadvantage that productivity is lowered.

本発明の課題は、耐食性に優れ、貴金属層の密着性が高く、かつ接触抵抗が低く、さらに生産性に優れたTiまたはTi合金製の燃料電池用のセパレータを製造することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供すること、これによって製造された燃料電池用セパレータ、および当該燃料電池用セパレータを用いた燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is for a fuel cell capable of producing a separator for a fuel cell made of Ti or Ti alloy having excellent corrosion resistance, high adhesion of a noble metal layer, low contact resistance, and excellent productivity. To provide a separator manufacturing method, to provide a fuel cell separator manufactured thereby, and to a fuel cell using the fuel cell separator.

前記した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、凹部形成工程と、貴金属層形成工程と、熱処理工程と、を含むことを特徴としている。
このように、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、凹部形成工程によって、TiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板の表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部を形成し、貴金属層形成工程によって、前記凹部を形成した前記基板の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる2nm以上の厚さの貴金属層をプラズマCVD法によって形成する。そして、熱処理工程によって、かかる貴金属層を形成した基板を所定の条件で熱処理することで、貴金属層の元素と基板のTiとを相互に拡散させた拡散層および/または不動態皮膜を結晶化させることによって貴金属層との密着性や導電性を高めた不動態皮膜を形成することができる。貴金属層との密着性は、貴金属の結晶格子と結晶化した不動態被膜との整合性を高めることで得られる。
したがって、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、複雑な工程を行うことなく、プラズマCVD法による貴金属層形成工程後に熱処理工程を行うだけで耐食性に優れ、貴金属層の密着性が高く、かつ接触抵抗の低い燃料電池用セパレータを容易に生産性良く製造することができる。
なお、前記熱処理工程における所定の熱処理温度が300〜800℃であり、前記熱処理工程における所定の酸素分圧は、前記貴金属がRu,Rh,Pd,OsおよびIrから選択される少なくとも1種以上である場合は、1.33Pa以下とし、前記貴金属がPtおよびAuから選択される少なくとも1種以上である場合は、大気圧における酸素分圧以下とする。
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、熱処理温度を特定の範囲に制限して熱処理工程を行うことによって、不動態皮膜の導電性を高めたり、貴金属層と基板の間の不動態皮膜を除去したり、ピンホールに露出している基板のTiを酸化させて酸化チタンを生成したりすることができる。また、貴金属の元素とTiを相互かつ適度に拡散させることができる。
さらに、燃料電池用セパレータの製造方法は、用いる貴金属の種類に応じて熱処理工程における酸素分圧の上限を適宜に変更することによって、より容易かつ適切に不動態皮膜の導電性を高めたり、貴金属層と基板の間の不動態皮膜を除去したりし、基板上に貴金属層を形成することができる。
In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a separator for a fuel cell according to the present invention includes a recess forming step, a noble metal layer forming step, and a heat treatment step.
As described above, in the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention, a gas flow path for allowing gas to flow through at least a part of the surface of the substrate as a fuel cell separator made of Ti or Ti alloy is formed by the recess forming step. And forming a recess for forming a noble metal layer, and the step of forming the noble metal layer includes at least one or more kinds of noble metals selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au on the surface of the substrate on which the recess is formed. A noble metal layer having a thickness of 2 nm or more is formed by plasma CVD. Then, by heat-treating the substrate on which the noble metal layer is formed under a predetermined condition by the heat treatment step, the diffusion layer and / or the passive film in which the elements of the noble metal layer and the Ti of the substrate are mutually diffused are crystallized. Thus, it is possible to form a passive film having improved adhesion and conductivity with the noble metal layer. Adhesion with the noble metal layer can be obtained by enhancing the consistency between the crystal lattice of the noble metal and the crystallized passive film.
Therefore, the method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention is excellent in corrosion resistance and high adhesion of the noble metal layer by performing a heat treatment step after the noble metal layer formation step by the plasma CVD method without performing a complicated step. A fuel cell separator having a low contact resistance can be easily produced with high productivity.
The predetermined heat treatment temperature in the heat treatment step is 300 to 800 ° C., and the predetermined oxygen partial pressure in the heat treatment step is at least one selected from Ru, Rh, Pd, Os, and Ir. In some cases, the pressure is 1.33 Pa or less, and in the case where the noble metal is at least one selected from Pt and Au, the oxygen partial pressure is equal to or less than atmospheric pressure.
In addition, the method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention increases the conductivity of the passive film by restricting the heat treatment temperature to a specific range, or increases the conductivity of the passive film or between the noble metal layer and the substrate. The film can be removed, or Ti of the substrate exposed to the pinhole can be oxidized to produce titanium oxide. In addition, it is possible to diffuse the noble metal element and Ti mutually and appropriately.
Furthermore, the method for producing a separator for a fuel cell can easily and appropriately increase the conductivity of the passive film by appropriately changing the upper limit of the oxygen partial pressure in the heat treatment step according to the type of the noble metal used. The passive film between the layer and the substrate can be removed, and a noble metal layer can be formed on the substrate.

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、前記貴金属層形成工程は、前記基板を300〜800℃に加熱して前記貴金属層を形成するのが好ましい。
プラズマCVD法による貴金属層の形成は、概ね1000℃以下で行うことができるが、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法における貴金属層形成工程では、基板を前記した温度範囲で貴金属層を形成することにより、次工程である熱処理工程をそのまま、つまり、同一の装置でもって同一の温度で行うことができるため、より生産性を向上させることができる。
In the method of manufacturing a fuel cell separator according to the present invention, it is preferable that the noble metal layer forming step forms the noble metal layer by heating the substrate to 300 to 800 ° C.
The formation of the noble metal layer by the plasma CVD method can be performed at about 1000 ° C. or less. However, in the noble metal layer forming step in the method for manufacturing the fuel cell separator of the present invention, the noble metal layer is formed in the temperature range described above. Thus, the heat treatment process which is the next process can be performed as it is, that is, with the same apparatus and at the same temperature, so that the productivity can be further improved.

また、前記した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用セパレータは、表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部が形成されたTiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる2nm以上の厚さの貴金属層をプラズマCVD法によって形成し、当該貴金属層を、所定の熱処理温度および所定の酸素分圧下で熱処理して得られたものであり、前記所定の熱処理温度が300〜800℃であり、かつ、前記所定の酸素分圧は、前記貴金属がRu,Rh,Pd,OsおよびIrから選択される少なくとも1種以上の場合は、1.33Pa以下、前記貴金属がPtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の場合は、大気圧における酸素分圧以下とすることを特徴としている。
このように、本発明の燃料電池用セパレータは、プラズマCVD法によって、貴金属層を比較的低温で基板上に形成しており、さらに熱処理することによって、かかる貴金属層の元素と基板のTiとが相互に拡散した拡散層を形成することができる。また、貴金属層と基板の間にある不動態皮膜の導電性を高めたり、不動態皮膜を除去したりすることもできる。
また、本発明の燃料電池用セパレータは、熱処理温度を特定の範囲に制限して熱処理が行われているので、貴金属層と基板の間の不動態皮膜の導電性が高められ、若しくは不動態皮膜が除去されており、かつ、ピンホールに露出している基板のTiを酸化させて酸化チタンを生成させることができる。また、貴金属の元素とTiを相互かつ適度に拡散させた拡散層を形成することができる。
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、このように、用いる貴金属の種類に応じて熱処理の際の酸素分圧の上限を適宜に変更することによって、より容易かつ適切に不動態皮膜の導電性を高めたり、不動態皮膜を除去したり、基板上に貴金属層を形成したりすることができる。
In order to solve the above-described problem, the fuel cell separator according to the present invention is a fuel made of Ti or Ti alloy in which a recess for forming a gas flow path through which gas flows is formed on at least a part of the surface. A noble metal layer having a thickness of 2 nm or more comprising at least one kind of noble metal selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au is formed on the surface of the substrate as a battery separator by plasma CVD. The precious metal layer is formed and heat-treated at a predetermined heat treatment temperature and a predetermined oxygen partial pressure, the predetermined heat treatment temperature is 300 to 800 ° C., and the predetermined oxygen partial pressure is obtained. Is at least 1.33 Pa when the noble metal is at least one selected from Ru, Rh, Pd, Os and Ir, and the noble metal is selected from Pt and Au For at least one or more elements, is characterized in that an oxygen partial pressure under the atmospheric pressure.
As described above, in the fuel cell separator of the present invention, the noble metal layer is formed on the substrate at a relatively low temperature by the plasma CVD method, and further, the elements of the noble metal layer and the Ti of the substrate are formed by heat treatment. Mutually diffused diffusion layers can be formed. In addition, the conductivity of the passive film between the noble metal layer and the substrate can be increased, or the passive film can be removed.
In addition, since the fuel cell separator of the present invention is heat-treated with the heat treatment temperature limited to a specific range, the conductivity of the passive film between the noble metal layer and the substrate is enhanced, or the passive film Is removed, and Ti of the substrate exposed to the pinhole can be oxidized to produce titanium oxide. In addition, a diffusion layer in which a noble metal element and Ti are diffused appropriately and appropriately can be formed.
Furthermore, the separator for a fuel cell according to the present invention is thus more easily and adequately conductive in the passive film by appropriately changing the upper limit of the oxygen partial pressure during the heat treatment in accordance with the type of noble metal used. The passive film can be removed, and a noble metal layer can be formed on the substrate.

本発明に係る燃料電池用セパレータは、前記基板を300〜800℃に加熱して前記貴金属層を形成するのが好ましい。
このように、本発明の燃料電池用セパレータは、基板を特定の温度範囲で加熱することによって貴金属層を形成するので、より好適に貴金属層の元素と基板のTiとを相互に拡散させた拡散層を形成することができる。また、貴金属層と基板の間にある不動態皮膜の導電性をより高めたり、不動態皮膜をより好適に除去したりすることができる。
In the fuel cell separator according to the present invention, the noble metal layer is preferably formed by heating the substrate to 300 to 800 ° C.
As described above, the fuel cell separator according to the present invention forms the noble metal layer by heating the substrate in a specific temperature range. Therefore, it is more preferable that the elements of the noble metal layer and Ti of the substrate are diffused mutually. A layer can be formed. Moreover, the electroconductivity of the passive film between a noble metal layer and a board | substrate can be improved more, or a passive film can be removed more suitably.

本発明に係る燃料電池用セパレータは、表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部が形成されたTiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる貴金属層と、前記貴金属層と前記基板の間に、導電性が高い酸化チタン層(酸化皮膜)、および前記貴金属層の元素と前記基板のTiとが相互に拡散した拡散層のうちの少なくとも一方を形成しているのが好ましい。
このように、本発明の燃料電池用セパレータは、その表面に特定の貴金属を含んでなる貴金属層を形成しているので接触抵抗を低くすることができ、拡散層および/または酸化チタン層を形成しているので貴金属層の密着性を高くすることができる。また、前記した拡散層および/または前記した酸化チタン層を形成したことによって基板と貴金属層との間の電気抵抗が高くならないようにすることもできるので、接触抵抗を低くすることができる。
The fuel cell separator according to the present invention is formed on the surface of a substrate as a fuel cell separator made of Ti or Ti alloy in which a recess for forming a gas flow path for allowing gas to flow through at least a part of the surface is formed. A noble metal layer containing at least one or more kinds of noble metals selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au, and a titanium oxide layer having high conductivity (oxidation) between the noble metal layer and the substrate. It is preferable that at least one of a diffusion layer in which the element of the noble metal layer and Ti of the substrate diffuse to each other is formed.
As described above, the fuel cell separator according to the present invention has a noble metal layer containing a specific noble metal formed on the surface thereof, so that the contact resistance can be lowered, and a diffusion layer and / or a titanium oxide layer is formed. Therefore, the adhesion of the noble metal layer can be increased. In addition, since the above-described diffusion layer and / or the above-described titanium oxide layer is formed, the electrical resistance between the substrate and the noble metal layer can be prevented from becoming high, so that the contact resistance can be lowered.

そして、本発明に係る燃料電池は、前記した燃料電池用セパレータを用いるのが好ましい。本発明の燃料電池は、前記した燃料電池用セパレータを用いているので、耐食性に優れ、貴金属層の密着性が高く、かつ接触抵抗が低く、さらに生産性に優れている。   The fuel cell according to the present invention preferably uses the above-described fuel cell separator. Since the fuel cell of the present invention uses the above-described fuel cell separator, it has excellent corrosion resistance, high adhesion of the noble metal layer, low contact resistance, and excellent productivity.

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、耐食性に優れ、不動態皮膜を結晶化または不動態皮膜を除去しているので貴金属層の密着性が高く、かつ接触抵抗が低く、さらに生産性に優れたTiまたはTi合金製の燃料電池用のセパレータを製造することができる。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータは、耐食性に優れ、貴金属層の密着性が高く、かつ接触抵抗が低く、さらに生産性に優れる。
そして、本発明に係る燃料電池は、耐食性に優れ、貴金属層の密着性が高く、かつ接触抵抗が低く、さらに生産性に優れている。
The separator for a fuel cell according to the present invention is excellent in corrosion resistance, crystallizes the passive film or removes the passive film, so that the adhesion of the noble metal layer is high, the contact resistance is low, and the productivity is further improved. It is possible to manufacture a separator for a fuel cell made of Ti or Ti alloy which is excellent in the above.
Moreover, the fuel cell separator according to the present invention has excellent corrosion resistance, high adhesion of the noble metal layer, low contact resistance, and excellent productivity.
The fuel cell according to the present invention has excellent corrosion resistance, high adhesion of the noble metal layer, low contact resistance, and excellent productivity.

次に、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池を実施するための最良の形態について適宜図面を参照して説明する。参照する図面において図1は、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の工程を説明するフローチャートである。図2の(a)および(b)は、本発明に係る燃料電池用セパレータの断面図である。図3は、接触抵抗の測定方法を説明する説明図である。図4は、基板の表面に形成したガス流路の形状の一例を示す図である。図5は、本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一部を展開した様子を示す図である。
なお、参照する図面において、符号S1は、凹部形成工程を示し、符号S2は、貴金属層形成工程を示し、符号S3は、熱処理工程を示し、符号1は、燃料電池用セパレータを示し、符号2は、基板を示し、符号3は、貴金属層を示し、符号4は、拡散層を示し、符号10は、単セルを示し、符号11は、ガス流路を示し、符号12は、ガス拡散層を示し、符号13は、固体高分子膜を示し、符号20は、燃料電池を示す。
Next, the best mode for carrying out the method for manufacturing a fuel cell separator, the fuel cell separator and the fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a flowchart for explaining the steps of the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention. FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views of a fuel cell separator according to the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a method of measuring contact resistance. FIG. 4 is a diagram showing an example of the shape of the gas flow path formed on the surface of the substrate. FIG. 5 is a diagram showing a state in which a part of a fuel cell using the fuel cell separator of the present invention is developed.
In the drawings to be referred to, reference numeral S1 denotes a recess forming process, reference numeral S2 denotes a noble metal layer forming process, reference numeral S3 denotes a heat treatment process, reference numeral 1 denotes a fuel cell separator, reference numeral 2 Indicates a substrate, reference numeral 3 indicates a noble metal layer, reference numeral 4 indicates a diffusion layer, reference numeral 10 indicates a single cell, reference numeral 11 indicates a gas flow path, and reference numeral 12 indicates a gas diffusion layer. Reference numeral 13 denotes a solid polymer membrane, and reference numeral 20 denotes a fuel cell.

まず、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
図1に示すように、本発明の燃料電池用セパレータ1の製造方法は、凹部形成工程S1と、貴金属層形成工程S2と、熱処理工程S3と、を含んでなる。
First, the manufacturing method of the separator for fuel cells of this invention is demonstrated.
As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the fuel cell separator 1 of the present invention includes a recess forming step S1, a noble metal layer forming step S2, and a heat treatment step S3.

凹部形成工程S1は、TiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板2の表面の少なくとも一部に、水素ガスや空気などのガスを流通させるガス流路11(図4、図5参照)を形成するための凹部を形成する。ここで、基板2の表面とは、基板2の外側をなす面をいい、いわゆる表面、裏面、側面が含まれる。
ここで、基板2の表面の少なくとも一部にガス流路を形成するための装置は、特に限定されるものではなく、所定の目的を果たすことのできる従来公知の装置を適宜に用いることができる。
なお、この形成工程S1に先立って、基板2の縦幅、横幅、厚さなどをあらかじめ設定した寸法や形状に形成しておくのが好ましい。
The recess forming step S1 is a gas flow path 11 for circulating a gas such as hydrogen gas or air over at least a part of the surface of the substrate 2 as a fuel cell separator made of Ti or Ti alloy (see FIGS. 4 and 5). A recess for forming the is formed. Here, the surface of the substrate 2 refers to a surface that forms the outside of the substrate 2, and includes a so-called front surface, back surface, and side surface.
Here, the apparatus for forming the gas flow path on at least a part of the surface of the substrate 2 is not particularly limited, and a conventionally known apparatus capable of achieving a predetermined purpose can be appropriately used. .
Prior to the formation step S1, it is preferable to form the substrate 2 in a predetermined size or shape, such as a vertical width, a horizontal width, and a thickness.

貴金属層形成工程S2は、凹部を形成したTiまたはTi合金製の基板2の表面(基板2の表面全体または表面の一部)に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる2nm以上の厚さの貴金属層3をプラズマCVD(プラズマ化学気相堆積;Plasma Chemical Vapor Deposition)法によって形成する。   The noble metal layer forming step S2 is selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au on the surface of the substrate 2 made of Ti or Ti alloy having the recesses (the entire surface of the substrate 2 or a part of the surface). The noble metal layer 3 having a thickness of 2 nm or more and containing at least one kind of noble metal is formed by plasma CVD (plasma chemical vapor deposition).

基板2としては、JIS H 4600に規定される1種〜4種の純Tiの基板や、Ti−Al、Ti−Ta、Ti−6Al−4V、Ti−PdなどのTi合金の基板を挙げることができる。しかし、本発明において用いることのできる基板2としては、これらに限定されることはなく、他の金属元素等を含有してなるTi合金であっても好適に用いることができる。   Examples of the substrate 2 include 1 to 4 types of pure Ti substrates stipulated in JIS H 4600, and substrates of Ti alloys such as Ti—Al, Ti—Ta, Ti-6Al-4V, and Ti—Pd. Can do. However, the substrate 2 that can be used in the present invention is not limited to these, and even Ti alloys containing other metal elements can be suitably used.

Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuといった貴金属(Noble metal)は、不動態皮膜を形成しないにも拘らず耐食性に優れていること、また、遷移金属であるので導電性に優れていること、および、これらの貴金属元素は互いに似通った性質を有していることなどが知られている。したがって、これらの中から適宜に選択された貴金属を含んでなる貴金属層3を形成することによって、良好な耐食性と導電性を具備することができる。   Noble metals such as Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au are excellent in corrosion resistance even though they do not form a passive film, and are excellent in conductivity because they are transition metals. It is known that these noble metal elements have properties similar to each other. Therefore, by forming the noble metal layer 3 containing a noble metal appropriately selected from these, it is possible to have good corrosion resistance and conductivity.

かかる貴金属層形成工程S2で形成する貴金属層3の厚さは2nm以上であることを要する。貴金属層3の厚さが2nm未満であるとピンホールが過度に多く形成されるために、後記する熱処理を行った際にTiやTi合金の酸化が貴金属層3の下側にまで回りこむため、接触抵抗を低くすることができない。なお、貴金属層形成工程S2で形成する貴金属層3の厚さは、3nm以上とするのがより好ましく、5nm以上とするのが最も好ましい。
なお、貴金属層3の厚さの上限値は特に限定されるものではないが、貴金属層3の形成に要する時間とコストを低く抑える観点から500nm以下とするのが好ましい。
The thickness of the noble metal layer 3 formed in the noble metal layer forming step S2 needs to be 2 nm or more. When the thickness of the noble metal layer 3 is less than 2 nm, an excessively large number of pinholes are formed. Therefore, when heat treatment described later is performed, oxidation of Ti or Ti alloy reaches below the noble metal layer 3. The contact resistance cannot be lowered. The thickness of the noble metal layer 3 formed in the noble metal layer forming step S2 is more preferably 3 nm or more, and most preferably 5 nm or more.
The upper limit value of the thickness of the noble metal layer 3 is not particularly limited, but is preferably 500 nm or less from the viewpoint of reducing the time and cost required for forming the noble metal layer 3.

また、貴金属層形成工程S2は、プラズマCVD法によって前記した貴金属の貴金属層3を形成する。プラズマCVD法は、常温から数百℃という比較的低い温度でも基板2上に貴金属層3を形成できるため基板2に与えるダメージ(例えば、反りや強度の低下など)を少なくすることができるだけでなく、比較的広い面積に貴金属の貴金属層3を形成することができるため生産性が向上する。   In the noble metal layer forming step S2, the above-described noble metal noble metal layer 3 is formed by plasma CVD. In the plasma CVD method, since the noble metal layer 3 can be formed on the substrate 2 even at a relatively low temperature from room temperature to several hundred degrees Celsius, not only can damage to the substrate 2 (for example, warpage or strength reduction) be reduced. Since the noble metal layer 3 of noble metal can be formed in a relatively wide area, productivity is improved.

この貴金属層形成工程S2は、基板2を300〜800℃に加熱して貴金属層3を形成するのが好ましい。後記する熱処理工程S3に速やかに移行できるため、燃料電池用セパレータ1の製造を容易化することができる。
また、この貴金属層形成工程S2を行うに当たって、あらかじめ基板2をアセトンなどの有機溶剤を用いて超音波洗浄等の洗浄を行うこともできる。このような洗浄を行うと、基板2表面の汚れに起因するピンホールの形成や密着性不良を低減化することができるので好適である。
In the noble metal layer forming step S2, it is preferable to form the noble metal layer 3 by heating the substrate 2 to 300 to 800 ° C. Since it can transfer to heat treatment process S3 mentioned later quickly, manufacture of separator 1 for fuel cells can be made easy.
In performing the noble metal layer forming step S2, the substrate 2 can be cleaned in advance using an organic solvent such as acetone. Such cleaning is preferable because pinhole formation and poor adhesion due to contamination on the surface of the substrate 2 can be reduced.

次に、熱処理工程S3は、貴金属層形成工程S2で貴金属層3が形成された基板2を、所定の熱処理温度および所定の酸素分圧下で熱処理を行って貴金属層3を形成するとともに、貴金属層3と基板2の間に、貴金属層3の元素と基板2のTiとが相互に拡散した拡散層4および導電性の高い結晶化した不動態皮膜(酸化チタン層5(図2(b)参照))のうちの少なくとも一方を形成させ、燃料電池用セパレータ1を製造する。   Next, in the heat treatment step S3, the substrate 2 on which the noble metal layer 3 is formed in the noble metal layer forming step S2 is heat-treated at a predetermined heat treatment temperature and a predetermined oxygen partial pressure to form the noble metal layer 3, and the noble metal layer 3 and the substrate 2, a diffusion layer 4 in which elements of the noble metal layer 3 and Ti of the substrate 2 are mutually diffused, and a highly conductive crystallized passive film (a titanium oxide layer 5 (see FIG. 2B)). )) Is formed to produce a fuel cell separator 1.

つまり、この熱処理工程S3は、所定の条件で熱処理することで、一部または全部を結晶化した不動態皮膜(酸化チタン)を形成、または貴金属層3の元素と基板2のTiとを相互に拡散させて拡散層4を形成することができる。
ここで、熱処理前の基板2の表面に形成されている不動態皮膜は、熱処理によって一部または全部が結晶化する。この結晶化の際に、貴金属層3直下の不動態皮膜は、酸素の供給が貴金属層3によって遮断されるため、酸素がTi母材中に拡散して薄くなり、かつ酸素が欠乏した酸化チタン(酸素欠乏傾斜構造を有する酸化チタン)に変化する。この結晶化した酸化チタンは、化学量論比よりも酸素が欠乏すると導電性が高くなるn型半導体となる。つまり、熱処理によって基板2の表面に形成されている不動態皮膜の導電性を向上させることができる。このような酸化チタンの結晶構造としては、ルチル型結晶若しくはブルッカイト型結晶を挙げることができる。なお、ルチル型結晶とは、ルチル結晶と同じ結晶構造を有する結晶をいい、ブルッカイト結晶とは、ブルッカイト結晶と同じ結晶構造を有する結晶をいう。なお、このような酸素欠乏型のルチル型結晶およびブルッカイト型結晶を有する酸化皮膜4は、酸素分圧をより低くして熱処理を行うほど得られやすく、貴金属層3で被覆された箇所などの、より酸素の少ない条件で熱処理を行うとさらに得やすい。
That is, in the heat treatment step S3, a passive film (titanium oxide) partially or wholly crystallized is formed by heat treatment under predetermined conditions, or the elements of the noble metal layer 3 and Ti of the substrate 2 are mutually bonded. The diffusion layer 4 can be formed by diffusing.
Here, a part or all of the passive film formed on the surface of the substrate 2 before the heat treatment is crystallized by the heat treatment. During the crystallization, the passive film immediately below the noble metal layer 3 is thinned by diffusion of oxygen into the Ti base material because the supply of oxygen is blocked by the noble metal layer 3, and the oxygen oxide-deficient titanium oxide. It changes to (titanium oxide having an oxygen-deficient gradient structure). This crystallized titanium oxide becomes an n-type semiconductor whose conductivity is increased when oxygen is deficient than the stoichiometric ratio. That is, the conductivity of the passive film formed on the surface of the substrate 2 by heat treatment can be improved. Examples of such a crystal structure of titanium oxide include a rutile type crystal and a brookite type crystal. Note that the rutile-type crystal means a crystal having the same crystal structure as a rutile crystal, the brookite-type crystal means a crystal having the same crystal structure as Burukkai preparative crystal. The oxide film 4 having such an oxygen-deficient rutile crystal and brookite crystal is more easily obtained by performing a heat treatment with a lower oxygen partial pressure, such as a portion covered with the noble metal layer 3. It is even easier to obtain heat treatment under conditions with less oxygen.

そして、さらに熱処理を続けるか、若しくは熱処理温度を高くすることにより、熱処理前の不動態皮膜や、前記のようにして形成された導電性の高い酸化チタンの層が消失して、貴金属層3と基板2の間に貴金属の元素とTiが相互に拡散した拡散層4が形成される。   Further, by continuing the heat treatment or increasing the heat treatment temperature, the passive film before the heat treatment and the layer of titanium oxide having high conductivity formed as described above disappear, and the noble metal layer 3 and A diffusion layer 4 in which a noble metal element and Ti are mutually diffused is formed between the substrates 2.

そして、このような熱処理を行うと、不動態皮膜が残存する場合であっても、不動態皮膜上に存在していたハイドロカーボンなどの汚れが熱で分解して貴金属層3内に拡散して清浄な表面となるとともに、貴金属層3が当該清浄な不動態皮膜の表面および/または結晶化した不動態皮膜(すなわち、酸素欠乏型の酸化チタン)と接触することになると考えられ、これにより結晶化した不動態皮膜と貴金属の結晶格子との整合性が良くなり、密着性が向上すると考えられる。
なお、さらに、高温または長時間の熱処理を行うと不動態皮膜は完全に消失し、貴金属層3と基板2の間には貴金属層3の元素と基板2のTiとが拡散した拡散層4が形成される。
When such a heat treatment is performed, even if the passive film remains, dirt such as hydrocarbon existing on the passive film is decomposed by heat and diffused into the noble metal layer 3. It is considered that the noble metal layer 3 comes into contact with the surface of the clean passive film and / or the crystallized passive film (that is, oxygen-deficient titanium oxide) as well as a clean surface. It is considered that the consistency between the passivated film and the crystal lattice of the noble metal is improved, and the adhesion is improved.
Further, when the heat treatment is performed at a high temperature or for a long time, the passive film disappears completely, and a diffusion layer 4 in which elements of the noble metal layer 3 and Ti of the substrate 2 are diffused is present between the noble metal layer 3 and the substrate 2. It is formed.

したがって、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、複雑な工程を行うことなくプラズマCVD法による貴金属層形成工程S2後に熱処理工程S3を行うだけで、不動態皮膜が残存している場合は不動態皮膜の一部または全部を、酸素欠乏型の導電性を有する結晶化した不動態皮膜(酸化チタン層5)とすることができ、また、不動態皮膜が残存していない場合は、貴金属層3の元素と基板2のTiとの拡散層4を形成できるので、貴金属との密着性が高く、かつ接触抵抗の低い燃料電池用セパレータ1を容易に生産性良く製造することができる。   Therefore, the method for producing a separator for a fuel cell of the present invention is not necessary when the passive film remains only by performing the heat treatment step S3 after the noble metal layer formation step S2 by the plasma CVD method without performing complicated steps. A part or all of the dynamic film can be a crystallized passive film (titanium oxide layer 5) having oxygen-deficient conductivity, and if no passive film remains, the noble metal layer Since the diffusion layer 4 of the element 3 and Ti of the substrate 2 can be formed, the fuel cell separator 1 having high adhesion to noble metal and low contact resistance can be easily produced with high productivity.

熱処理工程S3における熱処理温度は、300〜800℃とするのが好ましい。貴金属層3の密着性を高く、かつ接触抵抗を低くするために不動態皮膜を結晶化させたり、不動態皮膜を除去したり、セパレータの耐食性を確保するためにピンホールに露出したTiを酸化させたりするためである。
熱処理温度が300℃未満であると不動態皮膜の結晶化や不動態皮膜の除去に時間がかかり実用的でない。また、貴金属元素と基板2のTiとが相互に十分に拡散しない場合もある。
また、熱処理温度が800℃を超えると拡散が速すぎるために貴金属元素と基板2のTiとが相互に拡散しすぎてしまい、貴金属層3の最表面にチタンが拡散してきて熱処理雰囲気中の酸素と結びついて、ルチル型結晶およびブルッカイト型結晶を含有する酸化チタン層(酸化皮膜)を形成するおそれがある。しかし、このような酸化皮膜は酸素を含む雰囲気と接触して形成されるため、酸素の欠乏が不十分な酸化皮膜となり、不動態皮膜(酸化チタン層5)よりも耐食性が高いものの、接触抵抗が高くなるため好ましくない。熱処理温度は、より好ましくは350〜750℃であり、最も好ましくは380〜730℃である。また、このような温度範囲であっても長時間熱処理をすると表面にチタンが拡散してきて酸化皮膜を形成することがあるため、熱処理時間を熱処理温度に対して適宜調整するのが好ましい。
The heat treatment temperature in the heat treatment step S3 is preferably 300 to 800 ° C. In order to increase the adhesion of the noble metal layer 3 and reduce the contact resistance, the passive film is crystallized, the passive film is removed, or Ti exposed to the pinholes is oxidized to ensure the corrosion resistance of the separator. This is to make it happen.
If the heat treatment temperature is less than 300 ° C., it takes time to crystallize the passive film and remove the passive film, which is not practical. In addition, the noble metal element and Ti of the substrate 2 may not sufficiently diffuse to each other.
Further, when the heat treatment temperature exceeds 800 ° C., the diffusion is too fast, so that the noble metal element and the Ti of the substrate 2 diffuse too much, and titanium diffuses to the outermost surface of the noble metal layer 3 and oxygen in the heat treatment atmosphere. As a result, a titanium oxide layer (oxide film) containing a rutile crystal and a brookite crystal may be formed. However, since such an oxide film is formed in contact with an oxygen-containing atmosphere, it becomes an oxide film with insufficient oxygen deficiency and has higher corrosion resistance than the passive film (titanium oxide layer 5), but the contact resistance. Is unfavorable because of the high. The heat treatment temperature is more preferably 350 to 750 ° C, and most preferably 380 to 730 ° C. Even in such a temperature range, if heat treatment is performed for a long time, titanium may diffuse to the surface and an oxide film may be formed. Therefore, it is preferable to appropriately adjust the heat treatment time with respect to the heat treatment temperature.

熱処理工程S3における熱処理時間は、熱処理温度にもよるが、貴金属層3と基板2の間に存在する不動態皮膜を結晶化して接触抵抗を低減(つまり、導電性を向上)させたり、不動態皮膜を除去または十分に薄くさせたりするため1〜60分間とするのが好ましく、5〜50分間とするのがより好ましい。
熱処理時間が1分間未満であると、不動態皮膜の導電性の向上や不動態皮膜の除去が十分に行えないおそれがある。そのため、貴金属層3の密着性を高くすることができないばかりか、接触抵抗を低くすることができない。
一方、熱処理時間が60分間を超えると、熱処理温度や貴金属層3の厚さにもよるが、貴金属元素と基板2のTiとが相互に拡散しすぎることがあり、最表面に酸化皮膜が形成されやすくなる。前記したように、酸化皮膜が形成されると接触抵抗が高くなる傾向があるので好ましくない。また、熱処理の温度にもよるが、貴金属元素と基板2のTiとが相互に拡散しすぎてしまう場合もある。
The heat treatment time in the heat treatment step S3 depends on the heat treatment temperature, but the passive film existing between the noble metal layer 3 and the substrate 2 is crystallized to reduce the contact resistance (that is, improve the conductivity) or passivate. In order to remove or sufficiently thin the film, it is preferably 1 to 60 minutes, more preferably 5 to 50 minutes.
If the heat treatment time is less than 1 minute, the conductivity of the passive film may not be improved and the passive film may not be removed sufficiently. For this reason, not only the adhesion of the noble metal layer 3 cannot be increased, but also the contact resistance cannot be decreased.
On the other hand, if the heat treatment time exceeds 60 minutes, although depending on the heat treatment temperature and the thickness of the noble metal layer 3, the noble metal element and Ti of the substrate 2 may diffuse excessively to form an oxide film on the outermost surface. It becomes easy to be done. As described above, the formation of an oxide film is not preferable because the contact resistance tends to increase. Further, although depending on the temperature of the heat treatment, the noble metal element and Ti of the substrate 2 may diffuse too much.

熱処理工程S3における酸素分圧は、用いる貴金属の種類によって適宜設定するのが好ましい。先に挙げた貴金属のうち、Pd、Ru、Rh、Os、Irは酸素分圧が高いと酸化して接触抵抗が高くなる。
なお、本発明において酸素分圧とは、熱処理工程S3を行う熱処理炉内における酸素の占める圧力(なお、本発明において大気の組成は、窒素:酸素がおおよそ4:1で構成されていることとする。)をいう。
The oxygen partial pressure in the heat treatment step S3 is preferably set as appropriate depending on the type of noble metal used. Among the noble metals mentioned above, Pd, Ru, Rh, Os, and Ir are oxidized and the contact resistance is increased when the oxygen partial pressure is high.
In the present invention, the oxygen partial pressure is the pressure occupied by oxygen in the heat treatment furnace in which the heat treatment step S3 is performed (in the present invention, the composition of the atmosphere is that nitrogen: oxygen is approximately 4: 1). ).

具体的には、貴金属がRu,Rh,Pd,Os,およびIrから選択される少なくとも1種以上である場合は、酸素分圧を1.33Pa(1×10-2Torr)以下とするのが好ましい。
熱処理工程S3における酸素分圧が1.33Pa(1×10-2Torr)を超えると、熱処理を行う雰囲気中の酸素が多すぎるので、これらの貴金属が酸化しやすくなり、接触抵抗が高くなりやすい。なお、酸素分圧は低いほど好ましく、より好ましくは0.665Pa(5×10-3Torr以下)、さらに好ましくは0.133Pa(1×10-3Torr以下)である。
Specifically, when the noble metal is at least one selected from Ru, Rh, Pd, Os, and Ir, the oxygen partial pressure should be 1.33 Pa (1 × 10 −2 Torr) or less. preferable.
If the oxygen partial pressure in the heat treatment step S3 exceeds 1.33 Pa (1 × 10 −2 Torr), since there is too much oxygen in the atmosphere for the heat treatment, these noble metals are likely to be oxidized and the contact resistance tends to be high. . The oxygen partial pressure is preferably as low as possible, more preferably 0.665 Pa (5 × 10 −3 Torr or less), and still more preferably 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr or less).

なお、低い酸素分圧条件下であっても、雰囲気中に酸素が存在する限りピンホールなどに露出したTiは酸化される。しかし、低い酸素分圧条件下であればTiの酸化が進みすぎることはないので、仮に基板2上に貴金属層3が形成されない箇所があったとしても、当該箇所には適度な酸化皮膜が形成されることになる。
つまり、酸性雰囲気下で使用されるような場合であっても、貴金属層3が形成された箇所は良好な導電性を有しつつ、当該貴金属層3によって良好な耐食性を具備し、ピンホールなどで貴金属層3が形成されなかった箇所は酸化チタン層5(図2(b)参照)が形成されることになるので、耐食性が悪くなることはない。
プラズマCVD法で貴金属層3を形成した基板2の熱処理は、炉内を減圧できる電気炉やガス炉などの従来公知の熱処理炉を用いることにより行うことができる。
Even under low oxygen partial pressure conditions, Ti exposed to pinholes and the like is oxidized as long as oxygen is present in the atmosphere. However, since the oxidation of Ti does not proceed excessively under low oxygen partial pressure conditions, even if there is a portion where the noble metal layer 3 is not formed on the substrate 2, an appropriate oxide film is formed in the portion. Will be.
That is, even if it is used in an acidic atmosphere, the portion where the noble metal layer 3 is formed has good conductivity, and the noble metal layer 3 has good corrosion resistance, such as pinholes. In this case, the titanium oxide layer 5 (see FIG. 2B) is formed at the place where the noble metal layer 3 is not formed, so that the corrosion resistance is not deteriorated.
The heat treatment of the substrate 2 on which the noble metal layer 3 is formed by the plasma CVD method can be performed by using a conventionally known heat treatment furnace such as an electric furnace or a gas furnace capable of reducing the pressure in the furnace.

これに対し、AuやPtは酸化しないため、大気雰囲気で熱処理することができる。したがって、貴金属がPtおよびAuから選択される少なくとも1種以上である場合は、酸素分圧を大気圧における酸素分圧以下とすることができる。
なお、前記したように、貴金属層形成工程S2を300〜800℃で行うと、プラズマCVD法を終えた後に、原料ガスの供給を停止して放置するだけで低酸素雰囲気のチャンバー内で当該熱処理工程S3を行うことができるので、燃料電池用セパレータ1の製造を容易化することができるので好ましい。
ここで、原料ガスとは、貴金属層3を形成したい貴金属をガス化したものをいい、例えば、Pdの貴金属層3を形成したい場合は、塩化パラジウムを例えば300℃などに加熱して蒸発させることによってガス化させ、これを原料ガスとして使用することができる。
On the other hand, since Au and Pt are not oxidized, they can be heat-treated in an air atmosphere. Therefore, when the noble metal is at least one selected from Pt and Au, the oxygen partial pressure can be made equal to or lower than the oxygen partial pressure at atmospheric pressure.
As described above, when the noble metal layer forming step S2 is performed at 300 to 800 ° C., after the plasma CVD method is finished, the supply of the source gas is stopped and the heat treatment is performed in a low oxygen atmosphere chamber. Since step S3 can be performed, the manufacture of the fuel cell separator 1 can be facilitated, which is preferable.
Here, the source gas means a gasification of a noble metal for which the noble metal layer 3 is to be formed. For example, when forming the noble metal layer 3 of Pd, palladium chloride is heated to, for example, 300 ° C. and evaporated. And can be used as a raw material gas.

ここで、Tiを母材とする通常の製品は、その表面に非晶質の不動態皮膜が形成されていること、および、かかる不動態皮膜によって、母材中のTiが水素と結合して脆化するのを防止していることが知られている。そのため、例えば、25℃、0.1MPa(1気圧)程度の使用条件であれば、前記した不動態皮膜が水素の吸収を阻止することにより母材中のTiと水素とが結合するのを阻止することができ、これにより脆化しにくくなっている。
しかしながら、燃料電池用のセパレータのように、高温高圧(例えば、80〜120℃、0.2〜0.3MPa)の使用条件で水素に曝されると、前記した不動態皮膜は非晶質であるので、水素の吸収を十分に阻止することが困難であり、母材中のTiが、吸収した水素と結合して脆化するおそれがある。また、プラズマCVD法により基板2上に貴金属層3を形成した場合でも、ピンホール等の基板2が表面に露出してしまう部分が存在するため、当該ピンホールから水素が吸収され、基板2の母材中のTiと結合して基板2を脆化するおそれがある。
Here, a normal product using Ti as a base material has an amorphous passive film formed on the surface thereof, and Ti in the base material is bonded to hydrogen by the passive film. It is known to prevent embrittlement. Therefore, for example, under the use conditions of about 25 ° C. and about 0.1 MPa (1 atm), the above-described passive film prevents hydrogen from being absorbed, thereby preventing Ti and hydrogen in the base material from being combined. This makes it difficult to become brittle.
However, when exposed to hydrogen at high temperature and high pressure (eg, 80 to 120 ° C., 0.2 to 0.3 MPa) like a separator for a fuel cell, the above-described passive film is amorphous. Therefore, it is difficult to sufficiently prevent hydrogen absorption, and Ti in the base material may be combined with the absorbed hydrogen to be embrittled. Even when the noble metal layer 3 is formed on the substrate 2 by the plasma CVD method, there is a portion where the substrate 2 such as a pinhole is exposed on the surface, so that hydrogen is absorbed from the pinhole and the substrate 2 There is a possibility that the substrate 2 becomes brittle by bonding with Ti in the base material.

これに対し、本発明では、熱処理工程S3で300〜800℃の熱処理を行うことで、貴金属層3と基板2の間のTiや、ピンホールに露出している基板2のTiを酸化し、ルチル型結晶およびブルッカイト型結晶のうち少なくとも一方を含む酸化チタン層5(図2(b)参照)を形成する。かかる酸化チタン層5は、水素の吸収を阻止する効果(単に「水素吸収阻止効果」という。)が、非晶質の不動態皮膜よりも高いので、前記したような高温高圧下で水素に曝された場合であっても、基板2のTiが水素と結合せず、基板2の脆化が起こりにくい。なお、前記した水素吸収阻止効果は、大気圧条件のような高酸素分圧下での熱処理でも得ることができるが、前記した貴金属のうち、Pd、Ru、Rh、Os、Irは、酸素分圧が高いと酸化皮膜を形成してしまうため、前記した水素吸収阻止効果と導電性とを兼備させるためには、本発明の熱処理工程S3の酸素分圧を1.33Pa(1×10-2Torr)以下にするのが好ましい。なお、AuやPtのように酸化しない貴金属の場合は、熱処理工程S3を大気圧条件化で行っても、水素吸収阻止効果と導電性とを兼備させることが可能である。 On the other hand, in the present invention, by performing heat treatment at 300 to 800 ° C. in the heat treatment step S3, Ti between the noble metal layer 3 and the substrate 2 and Ti of the substrate 2 exposed in the pinhole are oxidized, A titanium oxide layer 5 (see FIG. 2B) including at least one of a rutile type crystal and a brookite type crystal is formed. Such a titanium oxide layer 5 has an effect of blocking hydrogen absorption (simply referred to as “hydrogen absorption blocking effect”) higher than that of an amorphous passive film. Therefore, the titanium oxide layer 5 is exposed to hydrogen under high temperature and high pressure as described above. Even in such a case, Ti of the substrate 2 does not bond with hydrogen and the substrate 2 is not easily embrittled. In addition, although the above-mentioned hydrogen absorption inhibition effect can be obtained by heat treatment under a high oxygen partial pressure such as atmospheric pressure conditions, among the above-mentioned noble metals, Pd, Ru, Rh, Os, and Ir are oxygen partial pressures. If it is high, an oxide film is formed. Therefore, in order to combine the above-described hydrogen absorption preventing effect and conductivity, the oxygen partial pressure in the heat treatment step S3 of the present invention is set to 1.33 Pa (1 × 10 −2 Torr). It is preferable that In the case of a noble metal such as Au or Pt that is not oxidized, even if the heat treatment step S3 is performed under atmospheric pressure conditions, it is possible to have both a hydrogen absorption preventing effect and conductivity.

以上、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態を説明したが、以下に説明するような実施形態であっても好適に実施することが可能である。
例えば、TiまたはTi合金製の基板2の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる2nm以上の厚さの貴金属層3をプラズマCVD法によって形成する貴金属層形成工程と、貴金属層3を形成した基板2の表面の少なくとも一部に、例えば、プレス加工等によって、ガスを流通させるガス流路を形成するための凹部を形成する凹部形成工程と、凹部を形成した基板2を、前記した所定の熱処理温度および所定の酸素分圧下で熱処理する熱処理工程と、を含む燃料電池用セパレータの製造方法とすることができる。
As mentioned above, although one Embodiment of the manufacturing method of the separator for fuel cells which concerns on this invention was described, even if it is embodiment described below, it can implement suitably.
For example, a noble metal layer 3 having a thickness of 2 nm or more comprising at least one kind of noble metal selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au on the surface of a substrate 2 made of Ti or Ti alloy. A step of forming a gas flow path for circulating a gas by, for example, pressing or the like on at least a part of the surface of the substrate 2 on which the noble metal layer 3 is formed. A method of manufacturing a fuel cell separator can include a recess forming step to be formed and a heat treatment step in which the substrate 2 on which the recess is formed is heat-treated at a predetermined heat treatment temperature and a predetermined oxygen partial pressure.

また、例えば、TiまたはTi合金製の基板2の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる2nm以上の厚さの貴金属層3をプラズマCVD法によって形成する貴金属層形成工程と、貴金属層3を形成した基板2を、前記した所定の熱処理温度および所定の酸素分圧下で熱処理する熱処理工程と、熱処理した基板2の表面の少なくとも一部に、例えば、プレス加工等によって、ガスを流通させるガス流路を形成するための凹部を形成する凹部形成工程と、を含む燃料電池用セパレータの製造方法とすることもできる。   Further, for example, a noble metal having a thickness of 2 nm or more comprising at least one kind of noble metal selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au on the surface of the substrate 2 made of Ti or Ti alloy. A noble metal layer forming step for forming the layer 3 by plasma CVD, a heat treatment step for heat-treating the substrate 2 on which the noble metal layer 3 is formed at a predetermined heat treatment temperature and a predetermined oxygen partial pressure, and the surface of the heat-treated substrate 2 A method of manufacturing a separator for a fuel cell, which includes a recess forming step for forming a recess for forming a gas flow path through which gas is circulated, for example, by pressing or the like at least in part.

次に、前記した本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によって製造された本発明に係る燃料電池用セパレータ1について図2を参照して詳細に説明する。
図2(a)に示すように、本発明に係る燃料電池用セパレータ1は、表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路11(図4参照)を形成するための凹部が形成されたTiまたはTi合金製の基板2の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる貴金属層3を形成した構成となっている。
より具体的には、本発明に係る燃料電池用セパレータ1は、基板2の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる2nm以上の厚さの貴金属層3をプラズマCVD法によって形成し、当該貴金属層3を、所定の熱処理温度および所定の酸素分圧下で熱処理を行い、貴金属層3を形成するとともに、貴金属層3と基板2の間に、貴金属層3の元素と基板2のTiとが相互に拡散した拡散層4を形成した構成となっている。
なお、貴金属層3の厚さを前記の範囲とすること、プラズマCVD法を用いること、熱処理の熱処理温度および酸素分圧を規定することの意義については既に詳述しているのでその説明を省略する。
Next, the fuel cell separator 1 according to the present invention manufactured by the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
As shown in FIG. 2 (a), the fuel cell separator 1 according to the present invention is provided with a recess for forming a gas flow path 11 (see FIG. 4) through which gas flows at least at a part of the surface. A noble metal layer 3 containing at least one kind of noble metal selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au is formed on the surface of a substrate 2 made of Ti or Ti alloy. .
More specifically, the fuel cell separator 1 according to the present invention includes at least one or more kinds of noble metals selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au on the surface of the substrate 2. A noble metal layer 3 having a thickness of 2 nm or more is formed by plasma CVD, and the noble metal layer 3 is heat-treated at a predetermined heat treatment temperature and a predetermined oxygen partial pressure to form the noble metal layer 3, A diffusion layer 4 in which elements of the noble metal layer 3 and Ti of the substrate 2 are mutually diffused is formed between the substrates 2.
The significance of setting the thickness of the noble metal layer 3 in the above range, using the plasma CVD method, and defining the heat treatment temperature and oxygen partial pressure of the heat treatment has already been described in detail, and the description thereof is omitted. To do.

基板2上に形成される貴金属層3の厚さは、1.5nm以上であるのが好ましい。
貴金属層3の厚さが1.5nm未満であると、貴金属層3のバリア効果が不十分となり、貴金属層3と基板2の拡散層4直下の部分で不動態皮膜が形成されて接触抵抗が大きくなるおそれがある。
なお、貴金属層3の厚さの上限はないが、コストの観点から500nm以下であることが好ましい。
The thickness of the noble metal layer 3 formed on the substrate 2 is preferably 1.5 nm or more.
If the thickness of the noble metal layer 3 is less than 1.5 nm, the barrier effect of the noble metal layer 3 becomes insufficient, and a passive film is formed in the portion immediately below the diffusion layer 4 of the noble metal layer 3 and the substrate 2, resulting in contact resistance. May grow.
In addition, although there is no upper limit of the thickness of the noble metal layer 3, it is preferable that it is 500 nm or less from a viewpoint of cost.

拡散層4は、基板2と貴金属層3との間の電気抵抗(接触抵抗)が高くならないようにしている。
拡散層4の好適な厚さは1nm以上である。拡散層4の厚さがこれらの範囲内であれば、前記した効果を好適に奏することができる。
拡散層4を前記した厚さとするには、適切な条件で熱処理を実施することで具現される。適切な条件の熱処理は、前記した熱処理温度や熱処理の時間の範囲内で、用いる貴金属の種類に応じて適宜実験等して定めることが好ましい。
The diffusion layer 4 prevents the electrical resistance (contact resistance) between the substrate 2 and the noble metal layer 3 from increasing.
A suitable thickness of the diffusion layer 4 is 1 nm or more. If the thickness of the diffusion layer 4 is within these ranges, the above-described effects can be suitably achieved.
The thickness of the diffusion layer 4 can be realized by performing heat treatment under appropriate conditions. It is preferable that the heat treatment under appropriate conditions is determined by an appropriate experiment or the like according to the type of noble metal used within the range of the above heat treatment temperature and heat treatment time.

また、本発明に係る燃料電池用セパレータ1が酸化チタン層41を含む場合は、例えば、図2(b)に示すように、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる貴金属層3と基板2(つまり、母材)の間に当該酸化チタン層5が形成される。なお、貴金属層3にピンホールPなどが形成され、基板2が表面に露出した部分が存在する場合には、当該ピンホールPの直下にも酸化チタン層5が形成され得る。本発明においては、この酸化チタン層5を貴金属層3と基板2の間、および基板2が表面に露出した部分(ピンホールP)の少なくとも一方に形成すれば好適であるが、両方に形成するとより好適である。   Further, when the fuel cell separator 1 according to the present invention includes the titanium oxide layer 41, for example, as shown in FIG. 2B, it is selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, and Au. The titanium oxide layer 5 is formed between the noble metal layer 3 containing at least one kind of noble metal and the substrate 2 (that is, the base material). In addition, when the pinhole P etc. are formed in the noble metal layer 3, and the part which the board | substrate 2 exposed to the surface exists, the titanium oxide layer 5 can also be formed directly under the said pinhole P. FIG. In the present invention, it is preferable to form the titanium oxide layer 5 between the noble metal layer 3 and the substrate 2 and at least one of the portions where the substrate 2 is exposed on the surface (pinhole P). More preferred.

かかる酸化チタン層5は、0.5〜10nm程度の厚さであれば、水素吸収阻止効果と導電性とを兼備させることができる。なお、かかる酸化チタン層5は、貴金属層3で被覆されているか、または低酸素分圧下で形成されるため、通常の不動態皮膜よりもルチル型結晶およびブルッカイト型結晶の少なくとも一方を多く含有し得る。   If the titanium oxide layer 5 has a thickness of about 0.5 to 10 nm, it can have both a hydrogen absorption preventing effect and conductivity. Since the titanium oxide layer 5 is covered with the noble metal layer 3 or formed under a low oxygen partial pressure, the titanium oxide layer 5 contains at least one of a rutile type crystal and a brookite type crystal more than a normal passive film. obtain.

次に、前記した本発明に係る燃料電池について適宜図面を参照して説明する。
図5に示すように、本発明に係る燃料電池20は、前記した本発明に係る燃料電池用セパレータ1を用いて作製したものであり、以下のようにして作製することができる。
例えば、TiまたはTi合金製の基板2を所定数用意し、この所定数用意した基板2を縦幅95.2mm×横幅95.2mm×厚さ19mmといった所定の寸法とするとともに、その基板2の表面の中央部に機械加工やエッチング等によって、例えば、溝幅0.6mm、溝深さ0.5mmの凹部を形成して、図4に示すような形状のガス流路11を形成する。
Next, the fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
As shown in FIG. 5, the fuel cell 20 according to the present invention is manufactured using the above-described fuel cell separator 1 according to the present invention, and can be manufactured as follows.
For example, a predetermined number of substrates 2 made of Ti or Ti alloy is prepared, and the predetermined number of substrates 2 is set to a predetermined size of 95.2 mm in length × 95.2 mm in width × 19 mm in thickness, and For example, a recess having a groove width of 0.6 mm and a groove depth of 0.5 mm is formed in the center portion of the surface by machining or etching to form a gas flow path 11 having a shape as shown in FIG.

そして、凹部を形成した基板2をアセトンなどの有機溶剤で超音波洗浄した後に、プラズマCVD法を実施するチャンバー内にセットする。そして、当該チャンバー内を真空に引き、アルゴンガスを導入後、基板2にRF(高周波)を印加してアルゴンガスを励起し、プラズマを発生させる。次いで、蒸発源である塩化パラジウムを加熱し、蒸発させた塩化パラジウムのガスを供給して基板2上に貴金属層3を形成する。このようにして貴金属層3を形成した基板2を熱処理炉に入れ、所定の真空度まで引いた後、500℃で5分間加熱する熱処理を行い、燃料電池用セパレータ1を所定数製造する。   Then, the substrate 2 having the recesses is ultrasonically cleaned with an organic solvent such as acetone, and then set in a chamber in which the plasma CVD method is performed. Then, the inside of the chamber is evacuated, and after introducing argon gas, RF (high frequency) is applied to the substrate 2 to excite the argon gas and generate plasma. Next, palladium chloride as an evaporation source is heated, and evaporated palladium chloride gas is supplied to form the noble metal layer 3 on the substrate 2. The substrate 2 on which the noble metal layer 3 is formed in this manner is put in a heat treatment furnace, pulled to a predetermined degree of vacuum, and then subjected to a heat treatment that is heated at 500 ° C. for 5 minutes to produce a predetermined number of fuel cell separators 1.

なお、このように予め多数の基板2を用意しておき、これらをまとめて貴金属層3の形成および熱処理を行えば、生産性を向上させることができる。また、本発明によれば、従来公知の方法のように、貴金属層3を形成する前に不動態皮膜をアルゴンイオンビーム等で物理的に取り去る必要がないので、従来と比較して生産性が向上する。特に、AuやPtの場合は、真空に引く必要が無く、大気圧における酸素分圧で熱処理を行うことが可能なため、さらに生産性を向上させることができる。   Note that productivity can be improved by preparing a large number of substrates 2 in advance and collectively forming the noble metal layer 3 and performing heat treatment. In addition, according to the present invention, it is not necessary to physically remove the passive film with an argon ion beam or the like before forming the noble metal layer 3 as in a conventionally known method. improves. In particular, in the case of Au or Pt, it is not necessary to draw a vacuum, and heat treatment can be performed with an oxygen partial pressure at atmospheric pressure, so that productivity can be further improved.

次いで、図5に示すように、所定数製造した燃料電池用セパレータ1を、例えば、2枚用いてガス流路11が形成された面を対面させて配置し、ガス流路11が形成されたそれぞれの面に、ガスを膜上に均一に拡散させるためのカーボンクロスCなどのガス拡散層12を配置し、一方のガス拡散層12と他方のガス拡散層12の間に白金触媒を表面に塗布した固体高分子膜13を挟んで単セル10を作製する。同様にして複数作製した単セル10を複数積層してセルスタック(不図示)とし、これに燃料電池に必要なその他の部品の取付け、および接続等を行うことにより、良好な耐食性および導電性を有する本発明に係る燃料電池(固体高分子型燃料電池)20を作製することができる。   Next, as shown in FIG. 5, for example, two fuel cell separators 1 that are manufactured in a predetermined number are disposed so that the surfaces on which the gas flow paths 11 are formed face each other, and the gas flow paths 11 are formed. A gas diffusion layer 12 such as carbon cloth C for uniformly diffusing the gas on the film is disposed on each surface, and a platinum catalyst is placed on the surface between one gas diffusion layer 12 and the other gas diffusion layer 12. The single cell 10 is produced with the solid polymer film 13 applied therebetween. Similarly, by stacking a plurality of single cells 10 produced into a cell stack (not shown), and attaching and connecting other parts necessary for the fuel cell, it has good corrosion resistance and conductivity. The fuel cell (solid polymer fuel cell) 20 according to the present invention can be produced.

なお、燃料電池20に用いられる固体高分子膜13は、カソード極で生成したプロトンをアノード極へと移動する働きを有する膜であれば特に限定されることなく使用することができ、例えば、スルホン基をもったフッ素系の高分子膜を好適に用いることができる。   The solid polymer membrane 13 used in the fuel cell 20 can be used without particular limitation as long as it has a function of moving protons generated at the cathode electrode to the anode electrode. A fluorine-based polymer film having a group can be preferably used.

このようにして作製された燃料電池20は、アノード極として配置された燃料電池用セパレータ1に、ガス流路11を介して燃料ガス(例えば、純度99.999%の水素ガス)を導入し、カソード極として配置された燃料電池用セパレータ1に、ガス流路11を介して空気を導入する。このとき燃料電池20は、全体を80℃程度に加熱保温して、前記した水素ガスおよび空気を加温された水中を通すことにより露点温度を80℃に調整するのが好ましい。また、燃料ガス(水素ガス)および空気は、例えば、2026hPa(2気圧)の圧力で導入するとよい。   The fuel cell 20 thus manufactured introduces fuel gas (for example, hydrogen gas with a purity of 99.999%) into the fuel cell separator 1 arranged as an anode electrode through the gas flow path 11. Air is introduced into the fuel cell separator 1 arranged as the cathode electrode through the gas flow path 11. At this time, the fuel cell 20 is preferably heated and kept at about 80 ° C., and the dew point temperature is preferably adjusted to 80 ° C. by passing the hydrogen gas and air through the heated water. The fuel gas (hydrogen gas) and air may be introduced at a pressure of 2026 hPa (2 atm), for example.

燃料電池20は、このようにしてアノード極に水素ガスを導入することによって、ガス拡散層12により固体高分子膜13に対して均一に供給され、当該固体高分子膜13で下記式(1)の反応が生じる。
2→2H++2e-・・・(1)
一方、燃料電池20は、カソード極に空気を導入することによって、ガス拡散層12により固体高分子膜13に対して均一に供給され、当該固体高分子膜13で下記式(2)の反応が生じる。
4H++O2+4e-→H2O・・・(2)
このように、固体高分子膜13で前記式(1)、(2)の反応が起こることにより、理論的には約1.2Vの電圧が得られる。
The fuel cell 20 is uniformly supplied to the solid polymer film 13 by the gas diffusion layer 12 by introducing hydrogen gas into the anode electrode in this way, and the solid polymer film 13 uses the following formula (1). Reaction occurs.
H 2 → 2H + + 2e (1)
On the other hand, the fuel cell 20 is uniformly supplied to the solid polymer film 13 by the gas diffusion layer 12 by introducing air into the cathode electrode, and the reaction of the following formula (2) is performed in the solid polymer film 13. Arise.
4H + + O 2 + 4e → H 2 O (2)
As described above, the reaction of the above formulas (1) and (2) occurs in the solid polymer film 13, so that a voltage of about 1.2V is theoretically obtained.

ここで、本発明に係る燃料電池20は、前記したように、少なくとも貴金属層3が形成された本発明に係る燃料電池用セパレータ1を用いているので、従来の金属製のセパレータを使用した燃料電池と比較して良好な耐食性および導電性を有せしめることが可能となる。   Here, as described above, since the fuel cell 20 according to the present invention uses the fuel cell separator 1 according to the present invention in which at least the noble metal layer 3 is formed, the fuel using the conventional metal separator is used. It becomes possible to have good corrosion resistance and conductivity as compared with the battery.

次に、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池について、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを対比して具体的に説明する。
<実施例A>
JIS H 4600に規定される1種の純TiでなるTi製の基板(幅2cm×5cm、厚さ1mm)をアセトンで超音波洗浄した後、プラズマCVD法を実施するためのチャンバー内の電極に取り付けて、当該チャンバー内を0.00133Pa(1×10-5Torr)以下の真空に排気した。
アルゴンガスをチャンバー内に導入し、圧力が26.6Pa(0.2Torr)となるように調整した。その後、基板電極にRF(高周波)を印加してアルゴンガスを励起してアルゴンプラズマを発生させた。その後、塩化パラジウムを300℃に加熱して蒸発させて原料ガスとし、これをチャンバー内に導入することにより2nmの厚さのPdの貴金属層(以下、「貴金属層(Pd)」という。)を形成した。さらに、チタン基板を裏返しにして、同様の方法で基板の裏面に2nmの厚さの貴金属層(Pd)を形成した。
前記と同様にして、Pdの貴金属層(Pd)の厚さを1nm、3nm、5nm、10nmで形成した基板を作製した。
Next, the fuel cell separator manufacturing method, fuel cell separator, and fuel cell of the present invention will be described in detail by comparing an example that satisfies the requirements of the present invention with a comparative example that does not satisfy the requirements of the present invention. To do.
<Example A>
A Ti substrate (width 2 cm × 5 cm, thickness 1 mm) made of one kind of pure Ti as defined in JIS H 4600 is ultrasonically cleaned with acetone, and then applied to an electrode in a chamber for performing plasma CVD. It was attached and the inside of the chamber was evacuated to a vacuum of 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr) or less.
Argon gas was introduced into the chamber and the pressure was adjusted to 26.6 Pa (0.2 Torr). Thereafter, RF (high frequency) was applied to the substrate electrode to excite the argon gas to generate argon plasma. Thereafter, palladium chloride is heated to 300 ° C. to evaporate to form a raw material gas, which is introduced into the chamber to form a 2 nm thick Pd noble metal layer (hereinafter referred to as “noble metal layer (Pd)”). Formed. Further, the titanium substrate was turned over, and a noble metal layer (Pd) having a thickness of 2 nm was formed on the back surface of the substrate by the same method.
In the same manner as described above, a substrate in which the thickness of the noble metal layer (Pd) of Pd was 1 nm, 3 nm, 5 nm, and 10 nm was produced.

次いで、貴金属層を形成したこれらの基板を熱処理炉に入れて、炉内を0.133Pa(1×10-3Torr)まで真空排気し、500℃で15分間加熱する熱処理を行った後、炉内を冷却して、100℃になったところで貴金属層(Pd)を形成した試験板(燃料電池用セパレータに相当する)を取り出した。
なお、形成した貴金属層(Pd)の厚さが薄いものから順に(厚さ1,2,3,5,10nmの順に)試験板1〜5とした。
Next, these substrates on which the noble metal layer is formed are put into a heat treatment furnace, the inside of the furnace is evacuated to 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr), and heat treatment is performed by heating at 500 ° C. for 15 minutes. The inside was cooled, and when the temperature reached 100 ° C., a test plate (corresponding to a fuel cell separator) on which a noble metal layer (Pd) was formed was taken out.
In addition, it was set as the test plates 1-5 in an order from thickness with a thin noble metal layer (Pd) formed (in order of thickness 1, 2, 3, 5, 10 nm).

(1)これらの試験板1〜5について、図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて荷重98N(10kgf)で熱処理前後の接触抵抗を測定した。つまり、試験板1〜5のそれぞれについて、その両面をカーボンクロスC,Cではさみ、さらにその外側を接触面積1cm2の銅電極31,31を用いて98Nで加圧し、直流電流電源32を用いて7.4mAの電気を通電し、当該カーボンクロスC,C間に印加される電圧を電圧計33で測定し、接触抵抗を算出した。
(2)さらに、試験板1〜5のそれぞれを80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後に、前記と同様にして再び接触抵抗を測定した。なお、(1)の熱処理後および(2)の接触抵抗は、12mΩ・cm2以下を合格とした。
(3)また、熱処理前後の貴金属層(Pd)の密着性試験を碁盤目テープ剥離試験により評価した。なお、碁盤目テープ剥離試験は、JIS H8504に規定されるめっき密着性試験方法に記載されている方法に準拠して行った。
(1)熱処理前後の接触抵抗、(2)80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後の接触抵抗、および(3)碁盤目テープ剥離試験の結果を表1に示す。
(1) About these test plates 1-5, the contact resistance before and behind heat processing was measured with the load 98N (10 kgf) using the contact resistance measuring apparatus 30 shown in FIG. That is, for each of the test plates 1 to 5, both surfaces thereof are sandwiched by carbon cloth C and C, and the outside is pressurized with 98 N using copper electrodes 31 and 31 having a contact area of 1 cm 2 , and a direct current power source 32 is used. Then, 7.4 mA electricity was applied, the voltage applied between the carbon cloths C and C was measured with the voltmeter 33, and the contact resistance was calculated.
(2) Further, each of the test plates 1 to 5 was immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. for 1000 hours, and then contact resistance was measured again in the same manner as described above. In addition, after the heat treatment of (1) and the contact resistance of (2), 12 mΩ · cm 2 or less was accepted.
(3) Moreover, the adhesion test of the noble metal layer (Pd) before and after the heat treatment was evaluated by a cross-cut tape peeling test. The cross-cut tape peel test was performed in accordance with the method described in the plating adhesion test method defined in JIS H8504.
Table 1 shows the results of (1) contact resistance before and after heat treatment, (2) contact resistance after being immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. for 1000 hours, and (3) cross-cut tape peeling test.

Figure 0005180485
Figure 0005180485

表1に示す結果から、試験板1〜5のいずれも、熱処理を行うことによって接触抵抗が低下することがわかる。
特に、貴金属層(Pd)の厚さが2nm以上の試験板2〜5は、熱処理後の接触抵抗が5.3mΩ・cm2以下と非常に小さい値を示し、導電性に優れていることがわかった。また、80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後であっても接触抵抗が大きく上昇することなく、高い耐食性を有することもわかった。また、熱処理後に行った碁盤目テープ剥離試験の結果は、剥離が無く、いずれも貴金属層と基板との密着性が高いことがわかった(いずれも実施例)。
From the results shown in Table 1, it can be seen that the contact resistance of any of the test plates 1 to 5 is reduced by performing the heat treatment.
In particular, the test plates 2 to 5 having a noble metal layer (Pd) thickness of 2 nm or more have a very small contact resistance after heat treatment of 5.3 mΩ · cm 2 or less, and are excellent in conductivity. all right. It was also found that even after immersing in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. for 1000 hours, the contact resistance does not increase greatly and has high corrosion resistance. Moreover, as a result of the cross-cut tape peeling test conducted after the heat treatment, it was found that there was no peeling and that the adhesion between the noble metal layer and the substrate was high (all examples).

一方、貴金属層(Pd)の厚さが1nmの試験板1は、熱処理後に行った碁盤目テープ剥離試験の結果は、剥離が無く、貴金属層と基板との密着性が高いものの、熱処理による接触抵抗の低下が少なく、かつ80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後の接触抵抗が大きく上昇することがわかった(比較例)。   On the other hand, the test plate 1 having a thickness of 1 nm of the noble metal layer (Pd) shows that the cross-cut tape peeling test performed after the heat treatment shows no peeling and high adhesion between the noble metal layer and the substrate. It was found that the contact resistance after a 1000-hour immersion in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. was greatly increased (Comparative Example).

なお、試験板4(貴金属層(Pd)の厚さ5nm)の断面をTEM(透過型電子顕微鏡)で観察したところ、貴金属層と基板の間には酸化物(すなわち、不動態皮膜)は認められず、代わりにTiとPdが相互に拡散した拡散層が約5nmの厚さで認められた。   When the cross section of the test plate 4 (noble metal layer (Pd) thickness 5 nm) was observed with a TEM (transmission electron microscope), an oxide (that is, a passive film) was observed between the noble metal layer and the substrate. Instead, a diffusion layer in which Ti and Pd diffused to each other was observed with a thickness of about 5 nm.

<実施例B>
<実施例A>と同様にしてプラズマCVD法により、Ti−6Al−4V合金製の2枚の基板上に、貴金属(AuおよびPt)の貴金属層を厚さ10nmで形成した。なお、このときの原料ガスとしては、塩化金と塩化白金を300℃で加熱し、蒸発させたものを用いた。
その後、貴金属層を形成したTi−6Al−4V合金板を熱処理炉内に入れて炉内を0.00133Pa(1×10-5Torr)まで真空排気した後に、炉を加熱して500℃に昇温して乾燥空気を導入し、炉内圧力が0.00665Pa(5×10-5Torr)になるように調整して1分間の熱処理を行い、貴金属層(Au)を形成した基板(試験板6)と貴金属層(Pt)を形成した基板(試験板7)を製造した。
<Example B>
In the same manner as in Example A, a noble metal layer of noble metals (Au and Pt) was formed to a thickness of 10 nm on two substrates made of Ti-6Al-4V alloy by plasma CVD. In addition, as source gas at this time, the thing which heated and evaporated gold chloride and platinum chloride at 300 degreeC was used.
Thereafter, the Ti-6Al-4V alloy plate on which the noble metal layer is formed is placed in a heat treatment furnace, and the inside of the furnace is evacuated to 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr), and then the furnace is heated to 500 ° C. A substrate (test plate) on which a precious metal layer (Au) was formed by heating and introducing dry air, adjusting the pressure in the furnace to 0.00665 Pa (5 × 10 −5 Torr) and performing heat treatment for 1 minute 6) A substrate (test plate 7) on which a noble metal layer (Pt) was formed was produced.

(1)これら試験板6,7の熱処理前後の接触抵抗を測定した。接触抵抗の測定方法は、<実施例A>に準じて行ったが、カーボンクロスC,CをAu箔(不図示)に変更して測定を行い、Au箔の間に印加される電圧を測定して接触抵抗を算出した。
また、(2)80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後の接触抵抗の測定を行うとともに、(3)熱処理前後の貴金属層(Au)および貴金属層(Pt)の密着性試験を碁盤目テープ剥離試験により評価した。なお、(1)の熱処理後および(2)の接触抵抗は、0.5mΩ・cm2以下を合格とした。
また、貴金属薄膜とTi−6Al−4V基板との界面構造を調べるため、試験板6の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した。なお、TEMの観察条件は、試料厚さ約100nm、加速電圧200kV、倍率150万倍とした。
(1) The contact resistance of these test plates 6 and 7 before and after heat treatment was measured. The contact resistance was measured in accordance with <Example A>, but the carbon cloth C, C was changed to an Au foil (not shown), and the voltage applied between the Au foils was measured. The contact resistance was calculated.
In addition, (2) The contact resistance after 1000 hours of immersion in an 80 ° C. sulfuric acid aqueous solution (pH 2) is measured, and (3) the adhesion test of the noble metal layer (Au) and the noble metal layer (Pt) before and after the heat treatment. Evaluation was made by a cross-cut tape peeling test. In addition, after the heat treatment of (1) and the contact resistance of (2), 0.5 mΩ · cm 2 or less was accepted.
Further, in order to examine the interface structure between the noble metal thin film and the Ti-6Al-4V substrate, the cross section of the test plate 6 was observed with a transmission electron microscope (TEM). The TEM observation conditions were a sample thickness of about 100 nm, an acceleration voltage of 200 kV, and a magnification of 1.5 million times.

(1)熱処理前後の接触抵抗、(2)80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後の接触抵抗、および(3)碁盤目テープ剥離試験の結果を表2に示す。   Table 2 shows the results of (1) contact resistance before and after heat treatment, (2) contact resistance after being immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. for 1000 hours, and (3) cross-cut tape peeling test.

Figure 0005180485
Figure 0005180485

表2に示す結果から、試験板6,7は、大気圧による酸素分圧条件下での熱処理により接触抵抗が低下し、密着性も向上することがわかった。さらに、80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後であっても接触抵抗の上昇が認められないことから、耐食性にも優れていることがわかった。また、TEMによる観察の結果から、貴金属層(Au)と基板の間に厚さ約5nmの酸化チタン層があることを確認することができた。さらに、ビーム径を約1nmに絞って行った電子線回折(ナノディフラクション)により酸化チタン層の結晶構造を調べたところ、ルチル型結晶が含まれていることがわかった。   From the results shown in Table 2, it was found that the test plates 6 and 7 had lower contact resistance and improved adhesion due to heat treatment under oxygen partial pressure conditions at atmospheric pressure. Furthermore, even after being immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. for 1000 hours, no increase in contact resistance was observed, indicating that the corrosion resistance was also excellent. Moreover, from the result of observation by TEM, it was confirmed that there was a titanium oxide layer having a thickness of about 5 nm between the noble metal layer (Au) and the substrate. Furthermore, when the crystal structure of the titanium oxide layer was examined by electron diffraction (nano-diffraction) performed with the beam diameter reduced to about 1 nm, it was found that rutile crystals were included.

<実施例C>
表3に示す各種貴金属を<実施例A>と同様にしてプラズマCVD法により、Ti−5Ta製の基板上に、5nmの厚さで貴金属層を形成した。
その後、熱処理炉に貴金属層を形成した基板を入れて、0.00133Pa(1×10-5Torr)になるまで真空排気し、表3に示す熱処理温度まで加熱した後、表3に示す酸素分圧になるように、炉内を排気しながら酸素を導入して、表3に示す熱処理時間の間、熱処理を行い、試験板8〜17を製造した。
<Example C>
Various noble metals shown in Table 3 were formed in a thickness of 5 nm on a Ti-5Ta substrate by plasma CVD in the same manner as in <Example A>.
Thereafter, the substrate on which the noble metal layer is formed is put in a heat treatment furnace, evacuated to 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr), heated to the heat treatment temperature shown in Table 3, and then the oxygen content shown in Table 3 is obtained. Oxygen was introduced while evacuating the furnace so that the pressure was increased, and heat treatment was performed for the heat treatment time shown in Table 3 to produce test plates 8 to 17.

これら試験板8〜17を用いて、(1)熱処理前後の接触抵抗を測定した。接触抵抗は、<実施例A>に準じて行った。なお、<実施例C>では、カーボンクロスを用いて測定した。
(2)さらに、試験板8〜17のそれぞれを80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後に、前記と同様にして再び接触抵抗を測定した。なお、(1)の熱処理後および(2)の接触抵抗は、12mΩ・cm2以下を合格とした。
(1)熱処理前後の接触抵抗、および(2)80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後の接触抵抗の結果を表3に示す。
Using these test plates 8 to 17, (1) contact resistance before and after heat treatment was measured. The contact resistance was measured according to <Example A>. In <Example C>, measurement was performed using a carbon cloth.
(2) Further, after each of the test plates 8 to 17 was immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. for 1000 hours, the contact resistance was measured again in the same manner as described above. In addition, after the heat treatment of (1) and the contact resistance of (2), 12 mΩ · cm 2 or less was accepted.
Table 3 shows the results of (1) contact resistance before and after heat treatment, and (2) contact resistance after being immersed in an 80 ° C. sulfuric acid aqueous solution (pH 2) for 1000 hours.

Figure 0005180485
Figure 0005180485

表3に示す結果から、酸素分圧が1.33Pa(1×10-2Torr)以下、かつ300℃から800℃の熱処理を行った試験板8〜14のうち、試験板8〜13は、低い接触抵抗が得られることがわかった。 From the results shown in Table 3, among the test plates 8 to 14 in which the oxygen partial pressure was 1.33 Pa (1 × 10 −2 Torr) or less and heat treatment was performed at 300 to 800 ° C., the test plates 8 to 13 were It has been found that low contact resistance can be obtained.

これに対し、試験板14は、処理時間が長すぎたため、PdとTiの拡散層が成長しすぎてしまい、Tiが最表面まで拡散してチタン酸化物を最表面に形成したために接触抵抗が低下しなかった。
試験板15は、酸素分圧が高いためにPdが酸化して接触抵抗が下がらなかった。
試験板16は、熱処理温度が高いために、AuとTiの拡散層が成長しすぎてしまい、Tiが最表面まで拡散してチタン酸化物を最表面に形成したために接触抵抗が低下しなかった。
試験板17は、熱処理温度が低いために、不動態皮膜の結晶化が図れず、また厚みも殆ど変化しなかったので接触抵抗の低下が殆ど認められず、硫酸浸漬後の接触抵抗は低いものの、直径1mm程度の円形の剥離が認められた。
On the other hand, since the processing time of the test plate 14 was too long, the diffusion layer of Pd and Ti grew too much, and Ti diffused to the outermost surface and titanium oxide was formed on the outermost surface. It did not drop.
The test plate 15 had a high oxygen partial pressure, so Pd was oxidized and the contact resistance did not decrease.
Since the heat treatment temperature of the test plate 16 was high, the diffusion layer of Au and Ti grew too much, and Ti diffused to the outermost surface and titanium oxide was formed on the outermost surface, so the contact resistance did not decrease. .
Since the test plate 17 had a low heat treatment temperature, the passive film could not be crystallized, and the thickness was hardly changed. Therefore, the contact resistance was hardly decreased and the contact resistance after immersion in sulfuric acid was low. Further, circular peeling with a diameter of about 1 mm was observed.

<実施例D>
<実施例A>と同様にしてプラズマCVD法により、Ti−5Ta合金製の基板を500℃に加熱して、その上に貴金属層(Pd)を5nmの厚さで形成した。その後、原料ガスの停止とプラズマの励起を停止して、チャンバー内の圧力が0.00133Pa(1×10-5Torr)となるように、乾燥空気を導入しながら排気を行い、チャンバー内で500℃×5分間保持して熱処理を行って試験板18を製造した後、チャンバーのヒーターを切って、チャンバー内で基板を100℃まで冷却してこれを取り出した。
<実施例A>と同様の方法で、熱処理後の接触抵抗を測定したところ、3.7mΩ・cm2であり、低い接触抵抗が得られることがわかった。
<Example D>
In the same manner as in Example A, a substrate made of Ti-5Ta alloy was heated to 500 ° C. by plasma CVD, and a noble metal layer (Pd) was formed thereon with a thickness of 5 nm. Thereafter, the source gas is stopped and the plasma excitation is stopped. Exhaust is performed while introducing dry air so that the pressure in the chamber becomes 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr). The test plate 18 was manufactured by maintaining the temperature at 5 ° C. for 5 minutes to produce the test plate 18, and then the chamber heater was turned off, and the substrate was cooled to 100 ° C. in the chamber and taken out.
When the contact resistance after heat treatment was measured by the same method as in Example A, it was 3.7 mΩ · cm 2 , and it was found that low contact resistance was obtained.

<実施例E>
まず、JIS H 4600に規定される1種の純TiでなるTi基板(幅2cm×5cm、厚さ0.2mm)を8枚用意した。これらのTi基板の表面上に、<実施例A>に記載した条件と同じ条件でプラズマCVD法を行うことによって、それぞれのTi基板にAuおよびPtの貴金属層を厚さ10nmで形成した(試験板18〜25)。なお、プラズマCVD法で用いた原料ガスとしては、塩化金と塩化白金を300℃で加熱して蒸発させたものを用いた(このとき用いた原料ガスの種類を、下記表4の「貴金属」の欄に「Au」または「Pt」で示した)。
その後、貴金属層を形成した試験板19、23を大気圧条件下(酸素分圧2.13×104Pa)にて500℃、1分間の条件で熱処理を行った。
<Example E>
First, eight Ti substrates (width 2 cm × 5 cm, thickness 0.2 mm) made of one kind of pure Ti specified in JIS H 4600 were prepared. By performing plasma CVD under the same conditions as described in <Example A> on the surfaces of these Ti substrates, Au and Pt noble metal layers were formed with a thickness of 10 nm on the respective Ti substrates (test). Plates 18-25). In addition, as the source gas used in the plasma CVD method, a gas obtained by evaporating gold chloride and platinum chloride by heating at 300 ° C. was used (the type of source gas used at this time is “noble metal” in Table 4 below). ("In" or "Pt").
Thereafter, the test plates 19 and 23 on which the noble metal layer was formed were heat-treated at 500 ° C. for 1 minute under atmospheric pressure conditions (oxygen partial pressure 2.13 × 10 4 Pa).

また、貴金属層を形成した試験板20、21、24、25を真空熱処理炉に入れ、炉内の圧力を0.00133Pa(1×10-5Torr)まで真空排気した後、500℃まで加熱し、乾燥空気を導入して炉内の酸素分圧を下記表4に示すように、0.133Pa(1×10-3Torr)または0.00133Pa(1×10-5Torr)、となるように調整し、かかる酸素分圧下、500℃の熱処理温度、5分間の熱処理時間の熱処理を行った。
なお、試験板19〜21、23〜25と比較するため、試験板18、22の2枚のTi基板については、AuおよびPtの貴金属層を厚さ10nmで形成した後、表4に示す熱処理条件で熱処理を行わなかった。
Further, the test plates 20, 21, 24, and 25 on which the noble metal layer is formed are placed in a vacuum heat treatment furnace, the pressure in the furnace is evacuated to 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr), and then heated to 500 ° C. As shown in Table 4 below, the oxygen partial pressure in the furnace is 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr) or 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr) by introducing dry air. The heat treatment was performed under such an oxygen partial pressure, with a heat treatment temperature of 500 ° C. and a heat treatment time of 5 minutes.
In addition, for comparison with the test plates 19 to 21 and 23 to 25, the two Ti substrates of the test plates 18 and 22 were subjected to the heat treatment shown in Table 4 after forming a noble metal layer of Au and Pt with a thickness of 10 nm. No heat treatment was performed under the conditions.

前記した試験板18〜25の接触抵抗を<実施例B>に記載した条件と同じ条件で測定して算出した。
また、これら試験板18〜25を、水と、0.3MPa(3atm)の水素と、が入った密閉容器の気相部に入れ、これを120℃で加熱することにより、湿度約100%に加湿した純水素(純度99.99%)雰囲気中(以下、単に「加湿した純水素雰囲気中」という。)で500時間暴露した後、不活性ガス(Ar)気流中で、黒鉛るつぼ中に入れた試料をすずと共に黒鉛抵抗加熱方式によって加熱融解することで水素を他のガスと共に抽出し、抽出したガスを分離カラムに通して水素を他のガスと分離し、分離した水素を熱伝導度検出器に搬送して水素による熱伝導度の変化を測定する(不活性ガス溶融−ガスクロマトグラフ法)ことにより、試験板18〜25中の水素濃度(ppm)を測定した。
接触抵抗および試験板18〜25中の水素濃度(表4において、「試験板中の水素濃度」と示す。)を前記した熱処理条件等とともに下記表4に示す。なお、接触抵抗は0.5mΩ・cm2以下を合格とし、Ti基板中の水素濃度は70ppm以下を合格とした。
The contact resistances of the test plates 18 to 25 described above were measured and calculated under the same conditions as described in <Example B>.
Further, these test plates 18 to 25 are put in a gas phase part of a sealed container containing water and 0.3 MPa (3 atm) of hydrogen, and heated at 120 ° C., so that the humidity becomes about 100%. After exposure for 500 hours in a humidified pure hydrogen (purity 99.99%) atmosphere (hereinafter simply referred to as “humidified pure hydrogen atmosphere”), it is placed in a graphite crucible in an inert gas (Ar) stream. The sample is heated and melted together with tin by the graphite resistance heating method, hydrogen is extracted together with other gases, the extracted gas is passed through a separation column to separate hydrogen from other gases, and the separated hydrogen is detected for thermal conductivity. The hydrogen concentration (ppm) in the test plates 18 to 25 was measured by conveying to a vessel and measuring the change in thermal conductivity due to hydrogen (inert gas melting-gas chromatograph method).
The contact resistance and the hydrogen concentration in the test plates 18 to 25 (shown as “hydrogen concentration in the test plate” in Table 4) are shown in Table 4 below together with the heat treatment conditions described above. Note that the contact resistance was 0.5 mΩ · cm 2 or less, and the hydrogen concentration in the Ti substrate was 70 ppm or less.

Figure 0005180485
Figure 0005180485

ここで、JIS H 4600に規定される1種の純Ti材に含まれている水素の濃度は、通常およそ20〜40ppmである。
表4に示すように、表4に示す熱処理条件で熱処理を行わなかった試験板18、22は、接触抵抗がやや高い値となり、また、試験板中の水素濃度も高い値となった。つまり、良好な結果を得ることができなかった。なお、試験板中の水素濃度が高い値であったことから、加湿した純水素雰囲気中に500時間暴露したことによってTi基板の母材中に水素が吸収されたことがわかった。
また、表4に示すように、表4に示す熱処理条件で熱処理を行った試験板19〜21、23〜25は、接触抵抗が低い値となり、また、試験板中の水素濃度も低い値となった。つまり、良好な結果を得ることができた。
Here, the concentration of hydrogen contained in one kind of pure Ti material specified in JIS H 4600 is usually about 20 to 40 ppm.
As shown in Table 4, the test plates 18 and 22 that were not heat-treated under the heat treatment conditions shown in Table 4 had a slightly high contact resistance, and the hydrogen concentration in the test plate was also a high value. That is, good results could not be obtained. Since the hydrogen concentration in the test plate was a high value, it was found that hydrogen was absorbed into the base material of the Ti substrate by exposure to a humidified pure hydrogen atmosphere for 500 hours.
Moreover, as shown in Table 4, the test plates 19 to 21 and 23 to 25 subjected to the heat treatment under the heat treatment conditions shown in Table 4 have low contact resistance, and the hydrogen concentration in the test plate is also low. became. That is, good results could be obtained.

<実施例E>の結果から、試験板19〜21、23〜25は、熱処理によって接触抵抗を低くすることができたこと、および、加湿した純水素雰囲気中に500時間暴露した場合であっても、水素を吸収しないことが確認された。   From the results of <Example E>, the test plates 19 to 21 and 23 to 25 were able to reduce the contact resistance by heat treatment and were exposed to a humidified pure hydrogen atmosphere for 500 hours. It was also confirmed that hydrogen was not absorbed.

<実施例F>
次に、<実施例F>では、前記した試験板5のTi基板を用いて作製したセパレータを使用した場合における発電試験を行った。
まず、縦幅95.2mm×横幅95.2mm×厚さ19mmのサイズのTi基板を2枚用意し、その表面の中央部に機械加工によって溝幅0.6mm、溝深さ0.5mmのガス流路を図4に示す形状に作製した。そして、ガス流路を形成したTi基板の面上に、<実施例A>と同様の方法・条件でPdの成膜と、熱処理とを行ってセパレータを作製した。
<Example F>
Next, in <Example F>, a power generation test was performed in the case of using a separator manufactured using the Ti substrate of the test plate 5 described above.
First, two Ti substrates each having a length of 95.2 mm × width of 95.2 mm × thickness of 19 mm are prepared, and a gas having a groove width of 0.6 mm and a groove depth of 0.5 mm is machined at the center of the surface. The flow path was produced in the shape shown in FIG. Then, a Pd film was formed on the surface of the Ti substrate on which the gas flow path was formed under the same method and conditions as in <Example A>, and a heat treatment was performed to produce a separator.

そして、作製した2枚のセパレータを固体高分子型の燃料電池(Electrochem社製、燃料電池セルEFC−05−01SP)に、以下のようにして組み込んで発電試験を行った。
まず、図5に示すように、作製した2枚のセパレータを、ガス流路が形成された面を対面させて配置し、ガス流路が形成されたそれぞれの面にカーボンクロスを配置し、これらのカーボンクロスの間に固体高分子膜を挟んで発電試験用の燃料電池を作製した。
Then, the produced separator was incorporated into a solid polymer fuel cell (manufactured by Electrochem, fuel cell EFC-05-01SP) as follows, and a power generation test was performed.
First, as shown in FIG. 5, the two separators prepared were placed with the surfaces on which the gas flow paths were formed facing each other, and the carbon cloth was placed on each surface on which the gas flow paths were formed. A fuel cell for power generation test was fabricated by sandwiching a solid polymer film between the carbon cloths.

前記のようにして作製した燃料電池のアノード極側に導入する燃料ガスとして純度99.999%の水素ガスを用い、カソード極側に導入するガスとして空気を用いた。
燃料電池は全体を80℃に加熱保温して、水素ガスおよび空気を、加温された水中を通すことにより露点温度を80℃に調整して、2026hPa(2気圧)の圧力で前記の燃料電池に導入した。
Hydrogen gas having a purity of 99.999% was used as the fuel gas introduced into the anode electrode side of the fuel cell produced as described above, and air was used as the gas introduced into the cathode electrode side.
The fuel cell is heated and kept at 80 ° C., and the dew point temperature is adjusted to 80 ° C. by passing hydrogen gas and air through heated water, and the fuel cell is operated at a pressure of 2026 hPa (2 atm). Introduced.

そして、セル性能測定用システム(スクリブナ社製890CL)を用いて、セパレータに流れる電流を300mA/cm2とし100時間発電させて電圧の変化を測定した。
その結果、試験板5のTi基板のセパレータの発電初期の電圧および100時間発電させた後の電圧は、ともに0.61Vであり、電圧の変化は認められなかった。
Then, using a cell performance measurement system (890CL manufactured by Scribner), the current flowing through the separator was set to 300 mA / cm 2 and power was generated for 100 hours to measure the change in voltage.
As a result, the initial voltage of the separator of the Ti substrate of the test plate 5 and the voltage after 100 hours of power generation were both 0.61 V, and no change in voltage was observed.

また、比較対象として、試験板5のTi基板のセパレータに換えて、従来から用いられているグラファイトセパレータ(Electrochem社製、FC−05MP)を配置して燃料電池を作製し、前記と同じ条件で発電試験を行った。
その結果、発電初期の電圧および100時間発電させた後の電圧は、ともに0.61Vであり、試験板5のTi基板のセパレータと全く同様の結果となった。
In addition, as a comparison object, instead of the Ti substrate separator of the test plate 5, a conventionally used graphite separator (manufactured by Electrochem, FC-05MP) is arranged to produce a fuel cell, under the same conditions as above. A power generation test was conducted.
As a result, the voltage at the initial stage of power generation and the voltage after power generation for 100 hours were both 0.61 V, and the result was exactly the same as that of the Ti substrate separator of the test plate 5.

以上の結果から、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によって製造された燃料電池用セパレータは、金属製のセパレータであるにも関わらず、グラファイトセパレータと同等の性能を示すことが分かった。   From the above results, it has been found that the fuel cell separator produced by the method for producing a fuel cell separator of the present invention exhibits the same performance as a graphite separator even though it is a metallic separator.

以上、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池について最良の実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することができることはいうまでもない。   The fuel cell separator manufacturing method, the fuel cell separator and the fuel cell according to the present invention have been described in detail with reference to the preferred embodiments and examples. However, the gist of the present invention is limited to the contents described above. The scope of rights should be broadly interpreted based on the claims. Needless to say, the contents of the present invention can be widely modified and changed based on the above description.

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の工程を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the process of the manufacturing method of the separator for fuel cells which concerns on this invention. (a)および(b)は、本発明に係る燃料電池用セパレータの断面図である。(A) And (b) is sectional drawing of the separator for fuel cells which concerns on this invention. 接触抵抗の測定方法を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the measuring method of contact resistance. 基板の表面に形成したガス流路の形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the shape of the gas flow path formed in the surface of a board | substrate. 本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一部を展開した様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a part of fuel cell using the separator for fuel cells of this invention was expand | deployed.

符号の説明Explanation of symbols

S1 凹部形成工程
S2 貴金属層形成工程
S3 熱処理工程
1 燃料電池用セパレータ
2 基板
3 貴金属層
4 拡散層
10 単セル
11 ガス流路
12 ガス拡散層
13 固体高分子膜
20 燃料電池
S1 Recess formation step S2 Noble metal layer formation step S3 Heat treatment step 1 Fuel cell separator 2 Substrate 3 Noble metal layer 4 Diffusion layer 10 Single cell 11 Gas flow path 12 Gas diffusion layer 13 Solid polymer membrane 20 Fuel cell

Claims (5)

TiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板の表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部を形成した前記基板の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる2nm以上の厚さの貴金属層をプラズマCVD法によって形成する貴金属層形成工程と、
前記貴金属層形成工程で前記貴金属層が形成された基板を、所定の熱処理温度および所定の酸素分圧下で熱処理する熱処理工程と、
を含み、
前記熱処理工程における所定の熱処理温度が300〜800℃であり、
前記熱処理工程における所定の酸素分圧は、
前記貴金属がRu,Rh,Pd,OsおよびIrから選択される少なくとも1種以上である場合は、1.33Pa以下とし、
前記貴金属がPtおよびAuから選択される少なくとも1種以上である場合は、大気圧における酸素分圧以下とする
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
A recess forming step for forming a recess for forming a gas flow path for flowing gas on at least a part of the surface of the substrate as a fuel cell separator made of Ti or Ti alloy;
A noble metal layer having a thickness of 2 nm or more comprising at least one kind of noble metal selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au is formed on the surface of the substrate on which the concave portion is formed by plasma CVD. A noble metal layer forming step formed by:
A heat treatment step of heat-treating the substrate on which the noble metal layer is formed in the noble metal layer formation step under a predetermined heat treatment temperature and a predetermined oxygen partial pressure;
Including
The predetermined heat treatment temperature in the heat treatment step is 300 to 800 ° C.,
The predetermined oxygen partial pressure in the heat treatment step is
When the noble metal is at least one selected from Ru, Rh, Pd, Os and Ir, 1.33 Pa or less,
In the case where the noble metal is at least one selected from Pt and Au, the oxygen partial pressure at atmospheric pressure or lower is set.
前記貴金属層形成工程は、前記基板を300〜800℃に加熱して前記貴金属層を形成することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   2. The method for manufacturing a fuel cell separator according to claim 1, wherein the noble metal layer forming step forms the noble metal layer by heating the substrate to 300 to 800 ° C. 3. 表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部が形成されたTiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる2nm以上の厚さの貴金属層をプラズマCVD法によって形成し、当該貴金属層を、所定の熱処理温度および所定の酸素分圧下で熱処理して得られたものであり、
前記所定の熱処理温度が300〜800℃であり、かつ、
前記所定の酸素分圧は、
前記貴金属がRu,Rh,Pd,OsおよびIrから選択される少なくとも1種以上の場合は、1.33Pa以下、
前記貴金属がPtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の場合は、大気圧における酸素分圧以下とする
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
Ru, Rh, Pd, Os, Ir, on the surface of a substrate as a separator for a fuel cell made of Ti or Ti alloy in which a recess for forming a gas flow path for allowing gas to flow through at least a part of the surface is formed. A noble metal layer having a thickness of 2 nm or more containing at least one kind of noble metal selected from Pt and Au is formed by plasma CVD, and the noble metal layer is heat-treated at a predetermined heat treatment temperature and a predetermined oxygen partial pressure. It was obtained by
The predetermined heat treatment temperature is 300 to 800 ° C., and
The predetermined oxygen partial pressure is:
When the noble metal is at least one selected from Ru, Rh, Pd, Os and Ir, 1.33 Pa or less,
When the noble metal is at least one selected from Pt and Au, the fuel cell separator is characterized by having an oxygen partial pressure or less at atmospheric pressure.
前記基板を300〜800℃に加熱して前記貴金属層を形成したことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 3, wherein the noble metal layer is formed by heating the substrate to 300 to 800 ° C. 5. 請求項3または請求項4に記載の燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。 Fuel cell characterized by using a separator for fuel cell according to claim 3 or claim 4.
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